HiPIMS技术低温沉积CrN薄膜结构及性能研究

摘要

目的实现性能优异的CrN薄膜在低温沉积条件下的可控制备。方法利用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS),通过调控脉冲放电波形(可调控脉冲放电模式-MPP、双极脉冲放电模式-BPH)制备了系列低温沉积工艺下的CrN薄膜。选用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、纳米硬度测试仪及球盘摩擦试验仪表征了Cr N薄膜的组织结构、微观形貌、摩擦学性能。结果相对于传统的直流磁控溅射技术(DCMS),Hi PIMS具备高溅射材料离化率,偏压作用下产生的荷能离子对成膜表面的持续轰击作用,有效提升了低温沉积条件下成膜粒子的表面迁移能,显著抑制了贯穿柱状晶的连续生长,达到了细化晶粒,改善薄膜致密性的目的。BPH模式下沉积的薄膜表面光滑致密,表面粗糙度可达4.6 nm。细晶强化作用及薄膜致密性提升使得BPH模式下制备的Cr N薄膜硬度最高,可达(15.6±0.8)GPa。此外,BPH模式下沉积的CrN薄膜具备最为优异的摩擦学性能,摩擦系数低(~0.3)且运行平稳,并且在高速及重载作用下,仍能表现出优异的摩擦磨损性能。结论HiPIMS技术中的双极脉冲放电模式可显著提升沉积粒子表面迁移能,提升Cr N薄膜沉积反应动力学过程,实现低温条件下性能优异的Cr N薄膜的可控制备。