溅射电流对磁控溅射CrN_x薄膜结构与性能的影响.pdf

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2010年第12期(41)卷
溅射电流对磁控溅射CrN薄膜结构与性能的影响
孔庆花,吉利,李红轩,刘晓红',陈建歙,周恵娣
中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000
2.中国科学院研究生院,北京100049)
摘要:采用非平衡磁控溅射技术在不銹钢以及单
晶硅基体上制备了CrN,薄膜,并利用X射线衍射仪
已有的研究结果表明3,6,,在溅射过程中,溅射电
(XRD)、场发射担描电镜( FESEM)、能量色散X射线流、基体偏压和氮气分压等工艺条件决定了CrN,薄
能语仪(EDS)和纳米压痕仪对溥膜的结构和性能进行膜的结构从而对其性能有重要影响。目前,有关基体
了表征。结果表明,随着溅射电流的增大,薄膜中N/偏压和氮气分压的研究较多,但是基于溅射电流的研
Cr比值减小,相组成由CrN(200)向Cr2N(111)转变
究较少。本实验中,采用中频非平衡磁控溅射技术制
品晶粒尺す减小,桂状结构消失,结枃变得致密;由于在备了CrN薄膜?系统研究了溅射电流对薄膜的物相
大溅射电流下,易于形成Cr2N高硬度相,而且形成的组成、化学组成、表面形貌和机械性能的影駒,并探ⅵ
薄膜品粒细小、结构致密,所以硬度值随溅射电流单调
了溅射电流的作用机理。
升高,在21A时达到最高,为21GPa。
关键词:氮化铬薄膜;磁控溅射;溅射电流;微结构;2实验
硬度
中图分类号:TG174.444;TB413文献标识码:A
采用实力源公司生产的中频磁控溅射设备在AI
文章编号:1001-9731(2010)12-2202-04
SI202不锈钢片和p(111)单晶硅炳种基体材料上沉
积CrN,薄膜。基体经无水乙醇和丙分别超声清洗
引言
20min,氮气吹干。本底真空抽至5.0×103Pa以下,
近年来,CrN薄膜因其高的硬度、优昇的耐磨性和采用高能Ar'轰击样品表面以去除表面的氧化层并获
高温抗氧化性而引起人们的广泛关注。一方面,得新鮮表面。CrN,薄膜的沉积条件:(1)N2+Ar(流
与已经厂广泛应用的TiIN薄膜相比,CrN薄膜具有耐腐量比:2/3)混合气源;(2)沉积温度:200;(3)脉冲偏
蚀性好、内应力低、化学稳定性好に等优势。同时,压:-300V;(4)溅射电流分別为:12、15、18、21A。为
CrN薄膜溅射产额比较高,有利于大批量的工业生产?了便于比较,薄膜厚度控制在4xm左右
更具有实际意义的。另ー方面,CrN薄膜又是电镀硬
利用 Philips X'Pert- MRD X-ray Diffractometer
铬很好的代替品,它没有电镀铬产生的高污染物和EDS分析薄膜的物相组成和化学组成;利用
(Crt)。因此,CrN薄膜优异的综合性能使其广泛应 FESEM(JSM-6701F)分析薄膜的表面形貌和断面结
用模具和切削工具的表面强化、表面防腐等许多工.构:利用 Micro XAM型非接触三维表面轮廓仪测试
业领域,而且在一定的领域有望替代TN膜和电薄膜的厚度,根据沉积时间,计算沉积速率。薄膜的纳
镀铬。
目前,人们主要采用物理气相沉积(PVD)的方法米硬度通过 Hysitron公司原位纳米力学测试系统测
试,压入深度为薄膜厚度的1/10。
来制备CrN薄膜。PVID制备方法主要有多弧离子
镀、真空电弧蒸发和磁控溅射,其中磁控溅射作为一种3结果与讨论
高速率沉积手段备受工业界的重视。但是,传统的直
3.1薄膜沉积速率
流磁控溅射技术存在弧光放电、“靶屮毒“以及“阳极消
失”等问题,这些问题在很大程度上限制了磁控溅射技
图1给出了(rN,薄膜的沉积速率随溅射电流的
术的发展和应用。近年来,中频非平衡磁控濺射技术化曲线。从图1中可以看出,沉积速率随着溅射电
可以有效抑制上述问题而逐渐受到人们的青睐。中频流的増加单调升高。薄膜的生长是溅射和离子刻蚀共
非平衡磁控溅射系统是由一对“孪生靶”组成,两个靶同作用的过程:一方面,离化的Ar溅射靶材,逸出具
周期性轮流作为阴极与阳极,形成良好的“自清洁”效有一定能量的铬原子,在运动的过程中与N原子结
应,不但抑制了靶面打火,而且消除了“阳极消失”现合,沉积到基体表而;另ー方面,离化的Ar在基体负
象,使得溅射过程稳定。
偏压的作用下,高速轰击基体表面,将表面弱键合的原
基金项目:国家自然科学基金资助目(50705093);创新群体基金资助项目(50421502)
收到初稿日期:2010-04-27
收到修改稿日期:2010-07-09
通讯作者:李红轩
作者简介:孔庆花(1984),女,山东枣庄人,在读硕士,师承李红轩副研究员,从事薄膜材料的研究。
孔庆花等:溅射电流对磁控溅射CrN、薄膜结构与性能的影响
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子刻蚀掉。溅射过程主要由溅射电流控制,而刻蚀过流可以获得实际所需的薄膜
程主要由基体偏压控制。实验过程中我们固定脉冲偏
从图2中还可以看出,随着溅射电流的增大,衍射
压,即刻蚀作用是不变的。溅射电流增加,人射离子的峰的强度减小,半峰宽增大。对于这一现象,我们从两
密度和能量增加,从而引起溅射速率和逸出原子能量个方面理解:一方面,意味着晶粒尺寸减小,形成更多
的升高。溅射速率增加,而刻蚀速率保持不变,所以薄微晶,表明高沉积速率下CrN,薄膜有非晶化趋势。
膜的沉积速率随着溅射电流增加单调升高。
这是因为靶功率的增大可以增加薄膜表面的瞬时温
度,有利于粒子的迁移和形核,而且沉积速率较大,使
得晶粒来不及长大,形成无定形或微晶:另一方面,
由于粒子的轰击作用,使得CrN,不能严格地符合化
学计量比(由图3可以看出),而存在一定的N原子缺
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位,使CrN,薄膜晶格常数具有一定的不确定性,从而
使CrN,衍射峰宽化。
a
图3给出了不同溅射电流下CrN,薄膜的化学组
Sputtering current/A
成变化曲线。可以看出,随着溅射电流的增加,Cr元
图1CrN,薄膜的沉积速率随溅射电流的变化曲线
素的含量逐渐增加而N元素的含量逐渐减少。究其
Fig1 Evolution of deposition rate of Crn, films as a原因,一方面溅射电流增大溅射出Cr粒子增多,在氮
function of sputtering current
气含量一定的情况下,更多的Cr原子有机会沉积到基
3.2薄膜物相组成和化学组成分析
体表面。另ー方面,溅射电流的増大,溅射出的Cr粒
图2给出了不同溅射电流下制备的CrN薄膜的子能量增大,高能Cr粒子可能破坏Cr-N键,也将导
XRD行射图谱。可以看出,当溅射电流为12A时致薄膜中N元素的含量降低。同时,从图3中还可
膜的相山CrN单相组成,而且薄膜沿CrN(200)晶面以看出,当溅射电流为12A时,N原子的原子分数为
择优生长。当溅射电流增大到15A时,(200)衛射峰56%,CrN没有达到化学计量比,多余的N原子可能
依然存在,但是衍射峰强度降低,同时衍射峰宽化,而以间隙原子的形式分布在CrN的面心立方结构中
其它衍射峰消失。当溅射电流进一步增至18和21A当溅射电流为21A时,薄膜由CrN单相组成,其中Cr
时,衍射峰由CrN(200)向CrzN(11)转变,说明薄膜原子的原子分数81%,说明薄膜中有过多的Cr