采用復(fù)合高功率脈沖磁控濺射技術(shù)在單晶Si 片、高速鋼和玻璃上制備CrN 薄膜。分別研究了脈沖電壓在500，600， 700， 750 V 時(shí)對(duì)薄膜的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著脈沖電壓的增加，靶材離化率增加，靶電流以及濺射原子離子數(shù)量級(jí)能量均增大，使得沉積的薄膜組織結(jié)構(gòu)更加致密，晶粒逐漸細(xì)化，表面更加光滑，硬度提高。高功率脈沖磁控濺射技術(shù)具備了磁控濺射技術(shù)制備的薄膜表面光滑優(yōu)勢(shì)，以及電弧離子鍍高離化率特點(diǎn)，獲得了結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異的CrN 薄膜。

　　相對(duì)于應(yīng)用廣泛的TiN 薄膜，CrN 薄膜除同樣具有較高的硬度及熱穩(wěn)定性外，還具有更低的摩擦系數(shù)和殘余應(yīng)力，以及更優(yōu)異的韌性和耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用與各種抗磨損場(chǎng)合，如內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的耐磨、耐腐蝕鍍層。目前CrN 薄膜的制備方法主要是電弧離子鍍和直流磁控濺射，電弧離子鍍具有離化率高、沉積速率快、附著力好等優(yōu)點(diǎn)，但是弧源提供的金屬等離子體中存在大量液滴，導(dǎo)致被沉積薄膜表面存在大顆粒，嚴(yán)重影響薄膜表面粗糙度；而磁控濺射靶材離化率低，金屬大多以原子狀態(tài)存在，導(dǎo)致膜基結(jié)合力較差，涂層易剝落失效。磁控濺射和多弧離子鍍技術(shù)都不可避免地存在一些缺點(diǎn)，為了研發(fā)更多實(shí)用的高質(zhì)量涂層及其在工業(yè)的推廣，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為探討新型涂層制備技術(shù)已成為涂層領(lǐng)域的迫切需求。

　　高功率脈沖磁控濺射( High power pulse magnetron sputtering，HPPMS) 是利用較高的脈沖峰值電壓和較低的脈沖占空比來(lái)產(chǎn)生高濺射金屬離化率的一種磁控濺射技術(shù)，它具備了電弧離子鍍高的離化率和直流磁控濺射無(wú)大顆粒的優(yōu)勢(shì)，可以制備出表面光滑且結(jié)構(gòu)致密的薄膜，對(duì)薄膜的性能改善具有重要意義。本文采用HPPMS技術(shù)制備CrN硬質(zhì)薄膜，重點(diǎn)研究電源脈沖電壓對(duì)CrN薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響。

1、實(shí)驗(yàn)方法

　　鍍膜采用的設(shè)備為自主研制的磁過(guò)濾陰極真空電弧復(fù)合磁控濺射鍍膜機(jī)，HPPMS 系統(tǒng)如圖1 所示，其中高功率脈沖電源采用的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的直流復(fù)合脈沖電源。復(fù)合直流一方面針對(duì)靶材進(jìn)行預(yù)離化，另一方面能夠提高沉積速率。陰極靶采用的是純度為99.99% 的Cr 靶，基體材料分別采用(100) 單晶Si 片、不銹鋼片以及玻璃片。其中單晶硅片用來(lái)表征薄膜形貌，不銹鋼片用來(lái)測(cè)試薄膜力學(xué)性能，玻璃片用來(lái)掃描X 射線衍射(XRD) 。先將基片在丙酮里超聲清洗15 min，吹風(fēng)機(jī)吹干后再在酒精里超聲清洗15 min，然后將基片固定在真空腔室中的樣品支架上，通過(guò)支架的公轉(zhuǎn)系統(tǒng)將基片移動(dòng)到正對(duì)磁控靶材的位置，待真空室的真空度達(dá)到3. 0 ×10 ^-3 Pa 以下時(shí)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。首先向腔內(nèi)通入純度為99.99%的高純Ar 氣，使氣壓達(dá)到1.33 Pa，向基體施加350 V 負(fù)偏壓利用輝光放電對(duì)基體刻蝕30min。然后調(diào)整Ar 流量為50 mL /min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) ，使腔內(nèi)氣壓為0.2 Pa，開(kāi)啟高功率脈沖電源，調(diào)整直流電流為3 A，脈寬200 μs，頻率50 HZ，脈沖電壓為700 V，基體偏壓為- 100 V，沉積Cr 過(guò)渡層，時(shí)間為3 min。最后沉積CrN 薄膜，Ar 氣流量為50 mL /min，N2氣流量為20 mL /min，脈沖偏壓分別采用500，600，700，750 V，電源其它參數(shù)及基體偏壓與過(guò)渡層沉積工藝相同，鍍膜時(shí)間為30 min。

　　上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中基體正對(duì)靶材且不旋轉(zhuǎn)。采用Hitachi 公司S-4800 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM) 觀察薄膜表面和截面的微觀形貌。薄膜的相組成采用德國(guó)布魯克公司D8 Advance X 射線衍射( XRD) 儀測(cè)試。薄膜的納米硬度以及彈性模量采用美國(guó)MTS 公司NANO G200 納米壓痕儀測(cè)試，采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)加載卸載模式，壓入深度為300 nm，為了減小基底對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，取壓入深度為膜厚的1 /10 處為測(cè)量值，每個(gè)樣品均對(duì)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)取平均值。采用原子力顯微鏡( AFM) 測(cè)量薄膜表面的粗糙度。采用美國(guó)center for tribology 公司生產(chǎn)的UMT-3 多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試摩擦磨損，用輪廓儀掃描劃痕輪廓曲線計(jì)算薄膜的磨損率，用維氏硬度計(jì)壓痕表征薄膜的韌性。

圖1 HIPIMS 系統(tǒng)示意圖

3、結(jié)論

　　本文采用HPPMS 制備CrN 薄膜，通過(guò)改變高功率脈沖電源中的脈沖電壓參數(shù)，研究靶電流放電特性以及薄膜結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的變化，得出以下結(jié)論:隨著脈沖電壓的增加，陰極靶材附近的電流大幅度上升，靶材表面等離子濃度增大; 薄膜由CrN( 111) 、CrN( 200) 、CrN( 220) 相組成，脈沖電壓改變不影響薄膜的相組成，隨著脈沖電壓的增加衍射峰變寬，峰位向大角度偏移，表明晶格常數(shù)變小、晶粒變細(xì); 在脈沖電壓為750 V 時(shí)薄膜的晶粒最細(xì)，結(jié)構(gòu)最致密，且表面光滑; 通過(guò)HPPMS 技術(shù)獲得了硬度為18. 5GPa 的CrN 薄膜，與直流磁控濺射相比，薄膜硬度大幅度提升。