分享：基体偏压对磁控溅射制备CrAlN纳米多层薄膜微观结构和力学性能的影响

王宇星1,2,张 侠1

 (1.上海城建职业学院机电工程与信息学院,上海 201415; 2.浙江工业大学材料科学与工程学院,杭州 310014) 

摘 要:采用磁控溅射技术在不同基体偏压(-60,-70,-80,-90V)下制备了 CrAlN 纳米多 层薄膜,研究了基体偏压对薄膜微观结构和力学性能的影响。结果表明:随着基体偏压绝对值增 大,CrAlN 纳米多层薄膜中 的 氮 含 量 增 加,物 相 组 成 不 变,择 优 取 向 由 CrN(111)晶 面 转 变 为 CrN(200)晶面,薄膜表面孔隙减少,组织致密性得到改善;基体偏压为-60~-80V 时,偏压对薄 膜沉积速率的影响较小,偏压绝对值大于80V 时,沉积速率明显下降;随着基体偏压绝对值增大, 薄膜的硬度和弹性模量提高,膜基结合力先增大后减小,在偏压为-80V 时达到最大。

 关键词:CrAlN 纳米多层薄膜;磁控溅射;基体偏压;微观结构;力学性能 中图分类号:TG174 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)03-0041-05 

0 引 言

 CrN 薄膜因具有硬度高,耐磨性能、耐腐蚀性 能、耐高温性能好等优点而广泛应用于机械加工领 域[1-3]。高速切削和干式切削加工技术的发展对薄 膜的抗氧化性能提出了更高的要求[4]。研究[5]表明 在 CrN 薄膜中添加一定量的铝,可将 CrN 薄膜的 开始氧化温度从600℃提高至900℃左右。但在一 些极端恶劣的环境中,添加铝的 CrAlN 薄膜仍无法 满足使用要求[6]。 通过优化组织结构提高 CrAlN 薄膜的性能是国内外近年来的研究重点。LIN [7-8]等采用闭合场 非平衡磁控溅射技术制备了 CrN/AlN 纳米多层薄 膜,研究表明 AlN 调制层中的相结构对 CrN/AlN 薄膜力学性能的影响显著,相结构为 h-AlN 时薄膜 的力 学 性 能 较 相 结 构 为 c-AlN 的 好;CABRERA 等[9]采用多靶射频磁控溅射技术沉积了不同调制周 期的 CrN/AlN 纳米多层薄膜,发现纳米多层薄膜 的硬 度 和 弹 性 模 量 随 调 制 周 期 的 减 小 而 增 大。 CrN/AlN 纳米多层薄膜的致硬机理主要包括模量差 异致硬、协调应变致硬和晶粒细化。与单层薄膜相 比,纳米多层结构的薄膜具有更高的膜基结合强度和 摩擦性能,BARDI等[6]的研究也表明,与单层薄膜相 比,纳米多层结构CrN/AlN薄膜在力学性能、抗氧化 性能和耐磨性能方面具有显著优势。 目前关于 CrAlN 纳米多层薄膜性能影响因素 的研究较少,尤其关于基体偏压对 CrAlN 纳米多层 薄膜性能影响的研究鲜有报道。为此,作者采用闭 合场非平衡磁控溅射离子镀技术,在不同基体偏压 下制备了 CrAlN 纳米多层薄膜,研究基体偏压对 CrAlN 纳米多层薄膜组织和性能的影响,为基体偏 压的选择提供参考。

 1 试样制备与试验方法

 采用 Teer-650型磁控溅射仪制备 CrAlN 纳米 多层薄膜,选用2对纯度均为99.99%的铬、铝靶材, 靶材安装位置如图 1 所示。基体选用单晶硅片和 M2高速钢。将高速钢(磨抛处理)和单晶硅片用超 声波清洗20 min后放入真空室,抽真空至压力为 2.6×10 -4 Pa,通过调节光谱强度 控 制 氮 气 流 量。 变化基体偏压参数,在2种基体上沉积 CrAlN 纳米 多层薄膜,沉积顺序为基体表面清洗→铬结合层→ CrN 过渡层→CrAlN 过渡层→CrAlN 功能层,具体 沉积工艺参数见表1。

采用 ΣIGMA 型场发射扫描电镜(SEM)观察 薄膜表面和截面的微观形貌,并采用附带的 Bruker NanoXFlashDetector5010型能谱仪(EDS)测试薄 膜的微区成分;采用 TecnaiF20型透射电镜进一步 观察薄膜截面微观形貌;采用 BrukerD8Advance 型 X射线衍射仪(XRD)分析薄膜的物相组成;采用 G200型 纳 米 综 合 测 试 仪,选 用 G-SeriesCSMfor ThinFilms模式测量薄膜的硬度和弹性模量,压入 深度500nm,应变速率0.05s -1,频率45Hz,基体 泊松比0.3,为了减少测量误差,每组试样测量5次 取平均值;采用 HT-5001型划痕仪测量薄膜的膜基 结合力,起始加载力为5N,最大加载力为60N,加 载速率为80N·min -1,滑动速度72mm·min -1,每 组试样测量5次取平均值。 

2 试验结果与讨论 

2.1 化学成分和物相组成

 由图2可以看出:随着基体偏压绝对值增大,氮 和铝的原子分数略有提高,铬原子分数降低。这主 要是由于基体偏压绝对值增大,沉积过程中氮气电 离的氮原子增多,薄膜中氮含量提高。基体偏压在 -60~-80V 时,薄膜沉积速率的下降幅度较小, 偏压绝对值大于 80V 时,沉积速率明显下降。薄 膜的生长是一个边沉积边溅射的过程:靶材中溅射 出的原子和离子沉积到基体表面形成薄膜,同时溅 射粒子对已沉积薄膜的轰击会使沉积的原子和离子再次溅射到工作气氛中。偏压绝对值较小时,沉积 和二次溅射达到动态平衡,沉积速率相对稳定;偏压 绝对值增大后,溅射粒子对已沉积薄膜表面的轰击 作用增强,沉积速率下降[10]。 由图3可以看出:不同基体偏压下,CrAlN 薄 膜均出现 CrN(111)、CrN(200)、CrN(220)和基体 (200)、(222)晶面的衍射峰,说明改变基体偏压不会 影响 CrAlN 薄膜的物相组成;基体偏压为 -60~ -80V 时,薄膜的择优取向为 CrN(111)晶面,基体 偏压为-90V 时,薄膜的择优取向变为 CrN(200) 晶面,这主要是由于基体偏压绝对值增大,提高了氮 的含量,减小了(200)晶面上铬原子的扩散距离,从 而促进了(200)晶面的生长。 

2.2 微观形貌 

由图4可以看出:基体偏压为-60V 时,CrAlN 薄膜表面存在 细 小 的 孔 隙,颗 粒 直 径 在 90nm 左 图3 不同基体偏压下 CrAlN纳米多层薄膜的 XRD谱 Fig.3 XRDspectraofCrAlNnano-mutilayerfilmsunderdifferent substratebiasvoltages 右;偏压为-80V 时,CrAlN 薄膜表面孔隙减少,颗 粒聚集,薄膜致密性改善;基体偏压为-60,-80V 时,CrAlN 薄膜截面均可见柱状晶组织,且-80V 下的组织更致密。当基体偏压绝对值增大时,溅射 粒子的密度和能量增大,对薄膜的轰击和溅射作用增强,使得吸附在薄膜表面结合较弱的原子溅射出 去,抑制了柱状晶的生长,而结合较强的原子进一步 被夯实,从而有效改善了薄膜的致密性[10]。 由图5可以看出,基体偏压为-80V 时,CrAlN 薄膜功能层呈浅色和深色交替的多层结构,各层的生 长方向略有不同,具有较小的取向差异。通过对图6 中矩形区域的多层结构进行能谱分析,结合薄膜制备 过程中基架旋转的特点,可以确定浅色为 CrN 层,厚 度约4.5nm,深色为 AlN 层,厚度约4.1nm,得到调 制周期约为8.6nm,功能层周期结构为 CrN/AlN/ CrN/AlN,具有典型的纳米多层结构。 图5 基体偏压为-80V时 CrAlN纳米多层薄膜功能层截面的 TEM 形貌 Fig.5 SectionTEM morphologyoffunctionallayerofCrAlN nano-mutilayerfilmunder-80Vsubstratebiasvoltage 

2.3 力学性能 

2.3.1 硬度和弹性模量

 由图6可以看出,随着基体偏压绝对值增大, CrAlN 薄膜的硬度和弹性模量均出现小幅增大,基 体偏压为-90V 时,薄膜的硬度和弹性模量同时达 到最大,分别为23.1,320.6GPa。这是由于基体偏 压绝对值增大,增强了溅射粒子对薄膜的轰击作用, 改善了薄膜的致密性。 图6 不同基体偏压下 CrAlN纳米多层薄膜的硬度和弹性模量 Fig.6 HardnessandelasticmodulusofCrAlNnano-mutilayer filmsunderdifferentsubstratebiasvoltages 

2.3.2 膜基结合力 

膜基结合力用薄膜开始剥落时的临界加载力 Lc 来表征。由图7可以看出:基体偏压为 -70V 时,在较低的加载力下,CrAlN 薄膜表面薄膜未见 剥落,声发射信号平滑无明显波动,随着加载力增 大,薄膜表面的划痕尾部多处出现小裂纹,结合声发 射曲线计算得到膜基结合力为(41.0±2.4)N;基体 偏压为-80V,加载力在0~60N 时薄膜表面的划 痕形貌完整,未见明显的裂纹和剥落,对应的声发射 曲线仅在51N 左右出现强峰,推断薄膜的膜基结合 力大于60N,强峰可能是压头加载到薄膜表面大颗 粒时产生的干扰峰;基体偏压为-90V,加载力为 34N 时,声发射曲线开始出现强峰,薄膜表面发生 剥落,计算得到膜基结合力为(34.8±1.7)N。综 上,基体偏压为-80V 时,CrAlN 薄膜的膜基结合 力最大,偏压为-90V 时出现膜基结合力下降的主 要原因是高的基体偏压(绝对值)增大了薄膜的内应 力,划痕处易萌生裂纹并扩展。

3 结 论 

(1)随着基体偏压绝对值增大,CrAlN 纳米多 层薄膜中的氮含量增加,物相组成不变,择优取向由 CrN(111)晶面转变为 CrN(200)晶面,薄膜表面孔 隙减少,组织致密性改善。 (2)基体偏压为-60~-80V 时,偏压对薄膜 沉积速率的影响较小,偏压绝对值大于80V 时,沉 积速率明显下降;随着偏压绝对值增大,薄膜的硬度 和弹性模量提高,膜基结合力先增大后减小,在偏压 为-80V 时达到最大。 

来源：材料与测试网