HiPIMS技术低温沉积CrN薄膜结构及性能研究

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CrN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)，HiPIMS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CrN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CrN薄膜沉积反应动力学过程，实现低温条件下性能优异的CrN薄膜的可控制备。