鋁含量及偏壓對磁控濺射氮鋁鉻薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響

山西中北大學(xué)機電工程學(xué)院　　丁雪峰　吳耀金*

鋁含量及偏壓對磁控濺射氮鋁鉻薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響

山西中北大學(xué)機電工程學(xué)院丁雪峰吳耀金*

本文采用反應(yīng)磁控濺射法在燒結(jié)NdFeB表面連續(xù)地沉積了一系列不同鋁含量的氮鋁鉻薄膜，使用掃描電鏡、納米壓痕儀分別表征了薄膜的形貌和硬度。所制備的薄膜鋁含量范圍在1～40at.%之間。研究結(jié)果表明：鋁含量改變了薄膜顯微結(jié)構(gòu)的致密性，以至于關(guān)系著薄膜硬度。而基底施加合適的負(fù)偏壓會使薄膜致密、硬度提高。實驗中氮鋁鉻薄膜的獲得的最高硬度為24.8Gpa，此時施加的偏壓為150V，鋁含量為33.29at.%。

磁控濺射；氮鋁鉻薄膜；鋁含量；性能

引言

氮鋁鉻薄膜可以有多種方法制備，例如陰極弧光離子鍍［1］、反應(yīng)磁控濺射［2］等。為了進一步優(yōu)化氮鋁鉻薄膜的性能，許多研究者在改變其化學(xué)成分方面做出了大量研究，并取得了長足進步。在鋁含量為40～60 at.%時，薄膜的最高硬度在20～55Gpa之間［3-6］。另外一種提高薄膜性能的方法是改變薄膜沉積過程中的參數(shù)，如氮氣分壓、基底負(fù)偏壓等。有研究表明偏壓在0～120V間，可以顯著改變薄膜的斷裂韌性［1］。Wang［2］等人研究了偏壓對氮鋁鉻薄膜顯微結(jié)構(gòu)、硬度、韌性的影響。在施加50～260V偏壓時薄膜變得更加致密，同時由于壓應(yīng)力的影響，薄膜硬度由10Gpa增加到26Gpa，韌性由1.67提高到2.02MPa·m1/2。

然而，就目前而言，大部分工作所制備的薄膜都是采用一次制備一種鋁含量，通過多次制備不同鋁含量的薄膜而對其進行研究，這樣使得成分改變具有跳躍性。因此，為了更細(xì)致、連續(xù)地研究氮鋁鉻薄膜中鋁含量對其性能和結(jié)構(gòu)的影響，需要采用新的制備方法和工藝進行研究。

本文中，采用反應(yīng)磁控濺射法在燒結(jié)NdFeB上制備了鋁含量連續(xù)改變的氮鋁鉻薄膜，研究了鋁含量和基底負(fù)偏壓對薄膜顯微結(jié)構(gòu)、硬度、耐磨性的影響。

1　試驗

1.1涂層制備

薄膜沉積設(shè)備采用自行設(shè)計的稀土永磁材料磁控濺射系統(tǒng)，圓筒形腔室內(nèi)部安裝2個對稱的可以調(diào)節(jié)角度的濺射靶和2 個end-Hall離子源。樣品NdFeB直線分布于靶下方的樣品臺上，其中靠近鉻靶下方最左面的樣品編號為1，按左到右順序依次為1-15號。試驗用靶材尺寸為Φ100mm×5mm高純鉻、鋁（中諾新材，99.99%），濺射使用氣體為高純氬氣（99.999%），反應(yīng)氣體為高純氮氣（99.999%）。Ar+清洗30min后，在靶前擋板關(guān)閉狀態(tài)下進行靶表面清洗，2個靶恒功率為600W，清洗15min；氮鋁鉻薄膜沉積時打開靶前擋板，2個靶恒功率各400W，同時向腔室內(nèi)沖入氬氣40sccm，氮氣16sccm。

1.2測試表征方法

采用表面輪廓儀（Alpha-Step，IQ）通過檢測Si片上沉積薄膜區(qū)與未沉積區(qū)高度差得到薄膜厚度；使用配備能譜儀（EDS）的場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，F(xiàn)EI Quanta FEG 250）分析薄膜表面、斷面形貌及成分；使用納米壓痕儀（NANO G200，MTS）連續(xù)剛度法測試薄膜硬度。

2　結(jié)果與討論

從所制備的樣品中挑選典型樣品做測試。表1展示了不同偏壓下氮鋁鉻薄膜中元素含量（原子百分比）變化，雜質(zhì)元素含量未計算在內(nèi)。鉻含量隨著由靠近鉻靶的位置向靠近鋁靶的位置逐漸降低，整體范圍處于52～5at.%之間。鋁含量恰好呈相反趨勢，含量范圍為1～40at.之間。應(yīng)該特別值得注意的是，同一偏壓下，薄膜中氮元素隨著鋁含量的增多而單調(diào)增多，而且在不同偏壓下的相同位置處的薄膜中氮含量隨著偏壓的升高而減少。

造成氮元素隨著偏壓的增高而減少的原因主要是反濺射現(xiàn)象引起的。隨著偏壓增高，轟擊在生長著的薄膜表面的離子能量升高，造成入射粒子平均動能增加。而較輕的氮元素是最容易被反濺射的，所以偏壓升高薄膜中氮元素貧瘠［3］。

以圖1在80V偏壓下為例說明不同鋁含量薄膜的結(jié)構(gòu)變化特征?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著薄膜中鋁元素的增多，薄膜表面形貌依次為三角形的片層狀、柳葉片層狀、多邊形片層狀、致密的點狀、半圓頂狀。而斷面形貌則是典型的磁控濺射柱狀晶形態(tài)。隨鋁含量升高，薄膜由多孔、粗大柱狀晶過渡到致密的柱狀晶。薄膜形貌不僅與元素含量有關(guān)，還與偏壓有著密切關(guān)系。在元素含量相差不大的情況下，偏壓增大后薄膜表面形貌更容易呈現(xiàn)半圓頂狀。

在80V偏壓下，離子轟擊能量促使原子遷移率增加，造成晶粒較粗大。偏壓由80V升高到150V后，合適的離子束能量將會使薄膜致密化。隨著偏壓近一步升高到200V，由于離子束帶給正在生長著的原子過多的動能，這些多余的能量將會用于熔化或者毀壞剛生長出的薄膜而消失掉［4］。這時的薄膜結(jié)構(gòu)疏松，孔洞較多，將會對薄膜性能造成一定的影響。

表1　不同偏壓下薄膜中元素含量

圖1　偏壓為80V時，氮鋁鉻薄膜微觀形貌

圖2為偏壓與薄膜中鋁含量對硬度的影響。顯然，隨著薄膜中鋁含量的升高薄膜硬度呈上升趨勢，并且在偏壓升高到150V時，對應(yīng)的硬度相比其他兩個偏壓下的硬度都要高。繼續(xù)升高偏壓到200V時，硬度沒有上升反而下降，甚至比80V偏壓下的薄膜硬度還要低。

有文獻報道鋁元素添加到氮化鉻中會形成網(wǎng)狀的非晶氮化鋁晶粒邊界，由于晶粒邊界效應(yīng)，可以有效降低晶粒尺寸［5］。根據(jù)霍爾佩奇關(guān)系，具有細(xì)小晶粒的薄膜會起到強化效果。從圖3、4、5中薄膜斷面形貌可以看出，150V偏壓下的薄膜柱狀晶粒較細(xì)小，并且薄膜更致密，所以導(dǎo)致了其硬度較高。另外，由于在薄膜中加入了鋁元素將會減小氮化鉻薄膜的點陣常數(shù)，增加共價鍵數(shù)量，這也可能是導(dǎo)致隨著薄膜中鋁含量升高而硬度升高的原因［6］。150V偏壓下沉積的薄膜之所以硬度會較高還與沉積過程中產(chǎn)生的應(yīng)力有關(guān)［7］。

圖2　偏壓及鋁含量對氮鋁鉻薄膜硬度的影響

3　結(jié)論

采用反應(yīng)磁控濺射法在燒結(jié)Nd-FeB表面連續(xù)地沉積了一系列不同鋁含量的氮鋁鉻薄膜。研究了鋁含量及基底負(fù)偏壓對薄膜結(jié)構(gòu)及硬度的影響。研究結(jié)果表明：隨著薄膜中鋁含量的增加顯微結(jié)構(gòu)由粗大的柱狀晶向致密的柱狀晶發(fā)展，表面形貌由片層狀逐漸過渡為多邊形狀、半圓頂狀。并且偏壓由80V升高到150V時有助于薄膜致密化，但是施加200V過高的偏壓反而會損傷薄膜形貌。力學(xué)性能測試表明鋁含量增多后薄膜的硬度降低，施加150V偏壓時薄膜的硬度明顯優(yōu)于其他兩個偏壓。

［1］Chunyan Y，Linhai T，Yinghui W，et al.基體偏壓對CrAlN涂層改性離子束增強磁控濺射沉積的沖擊性能的影響［J］.應(yīng)用表面科學(xué)，2009，255（7）：4033-4038.

［2］Wang Y X，Zhang S，Lee J W，et al.偏壓對磁控濺射CrAlN薄膜硬度和韌性的影響 ［J］.表面薄膜技術(shù)，2012，206（24）：5103-5107.

［3］Lv Y，Ji L，Liu X，et al.偏壓周期對中頻非平衡磁控濺射CrAlN薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響［J］.表面薄膜技術(shù)，2012，206（19）：3961-3969.

［4］Lv Y，Ji L，Liu X，et al.偏壓對非平衡磁控濺射CrAlN薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響 ［J］.應(yīng)用表面科學(xué)，2012，258（8）：3864-3870.

［5］Liu Z J，Shum P W，Li K Y，et al.在Si（100）基底反應(yīng)濺射TiAlN薄膜粗糙化動力學(xué) ［J］.哲學(xué)雜志快報，2003，83（10）：627-634.

［6］Zhou M，Makino Y，Nose M，et al.射頻等離子體輔助磁控濺射Ti-Al-N薄膜的相轉(zhuǎn)化和性能［J］.固體薄膜，1999，339 （1）：203-208.

［7］Karlsson L，Hultman L，Johansson M P，et al.弧光蒸發(fā)TiC x N 1 x（0≤ x≤ 1）薄膜的生長、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能［J］.表面薄膜技術(shù)，2000，126（1）：1-14.

吳耀金