铝含量及偏压对磁控溅射氮铝铬薄膜结构及性能的影响

山西中北大学机电工程学院　　丁雪峰　吴耀金*

铝含量及偏压对磁控溅射氮铝铬薄膜结构及性能的影响

山西中北大学机电工程学院丁雪峰吴耀金*

本文采用反应磁控溅射法在烧结NdFeB表面连续地沉积了一系列不同铝含量的氮铝铬薄膜，使用扫描电镜、纳米压痕仪分别表征了薄膜的形貌和硬度。所制备的薄膜铝含量范围在1～40at.%之间。研究结果表明：铝含量改变了薄膜显微结构的致密性，以至于关系着薄膜硬度。而基底施加合适的负偏压会使薄膜致密、硬度提高。实验中氮铝铬薄膜的获得的最高硬度为24.8Gpa，此时施加的偏压为150V，铝含量为33.29at.%。

磁控溅射；氮铝铬薄膜；铝含量；性能

引言

氮铝铬薄膜可以有多种方法制备，例如阴极弧光离子镀［1］、反应磁控溅射［2］等。为了进一步优化氮铝铬薄膜的性能，许多研究者在改变其化学成分方面做出了大量研究，并取得了长足进步。在铝含量为40～60 at.%时，薄膜的最高硬度在20～55Gpa之间［3-6］。另外一种提高薄膜性能的方法是改变薄膜沉积过程中的参数，如氮气分压、基底负偏压等。有研究表明偏压在0～120V间，可以显著改变薄膜的断裂韧性［1］。Wang［2］等人研究了偏压对氮铝铬薄膜显微结构、硬度、韧性的影响。在施加50～260V偏压时薄膜变得更加致密，同时由于压应力的影响，薄膜硬度由10Gpa增加到26Gpa，韧性由1.67提高到2.02MPa·m1/2。

然而，就目前而言，大部分工作所制备的薄膜都是采用一次制备一种铝含量，通过多次制备不同铝含量的薄膜而对其进行研究，这样使得成分改变具有跳跃性。因此，为了更细致、连续地研究氮铝铬薄膜中铝含量对其性能和结构的影响，需要采用新的制备方法和工艺进行研究。

本文中，采用反应磁控溅射法在烧结NdFeB上制备了铝含量连续改变的氮铝铬薄膜，研究了铝含量和基底负偏压对薄膜显微结构、硬度、耐磨性的影响。

1　试验

1.1涂层制备

薄膜沉积设备采用自行设计的稀土永磁材料磁控溅射系统，圆筒形腔室内部安装2个对称的可以调节角度的溅射靶和2 个end-Hall离子源。样品NdFeB直线分布于靶下方的样品台上，其中靠近铬靶下方最左面的样品编号为1，按左到右顺序依次为1-15号。试验用靶材尺寸为Φ100mm×5mm高纯铬、铝（中诺新材，99.99%），溅射使用气体为高纯氩气（99.999%），反应气体为高纯氮气（99.999%）。Ar+清洗30min后，在靶前挡板关闭状态下进行靶表面清洗，2个靶恒功率为600W，清洗15min；氮铝铬薄膜沉积时打开靶前挡板，2个靶恒功率各400W，同时向腔室内冲入氩气40sccm，氮气16sccm。

1.2测试表征方法

采用表面轮廓仪（Alpha-Step，IQ）通过检测Si片上沉积薄膜区与未沉积区高度差得到薄膜厚度；使用配备能谱仪（EDS）的场发射扫描电子显微镜（SEM，FEI Quanta FEG 250）分析薄膜表面、断面形貌及成分；使用纳米压痕仪（NANO G200，MTS）连续刚度法测试薄膜硬度。

2　结果与讨论

从所制备的样品中挑选典型样品做测试。表1展示了不同偏压下氮铝铬薄膜中元素含量（原子百分比）变化，杂质元素含量未计算在内。铬含量随着由靠近铬靶的位置向靠近铝靶的位置逐渐降低，整体范围处于52～5at.%之间。铝含量恰好呈相反趋势，含量范围为1～40at.之间。应该特别值得注意的是，同一偏压下，薄膜中氮元素随着铝含量的增多而单调增多，而且在不同偏压下的相同位置处的薄膜中氮含量随着偏压的升高而减少。

造成氮元素随着偏压的增高而减少的原因主要是反溅射现象引起的。随着偏压增高，轰击在生长着的薄膜表面的离子能量升高，造成入射粒子平均动能增加。而较轻的氮元素是最容易被反溅射的，所以偏压升高薄膜中氮元素贫瘠［3］。

以图1在80V偏压下为例说明不同铝含量薄膜的结构变化特征。可以发现随着薄膜中铝元素的增多，薄膜表面形貌依次为三角形的片层状、柳叶片层状、多边形片层状、致密的点状、半圆顶状。而断面形貌则是典型的磁控溅射柱状晶形态。随铝含量升高，薄膜由多孔、粗大柱状晶过渡到致密的柱状晶。薄膜形貌不仅与元素含量有关，还与偏压有着密切关系。在元素含量相差不大的情况下，偏压增大后薄膜表面形貌更容易呈现半圆顶状。

在80V偏压下，离子轰击能量促使原子迁移率增加，造成晶粒较粗大。偏压由80V升高到150V后，合适的离子束能量将会使薄膜致密化。随着偏压近一步升高到200V，由于离子束带给正在生长着的原子过多的动能，这些多余的能量将会用于熔化或者毁坏刚生长出的薄膜而消失掉［4］。这时的薄膜结构疏松，孔洞较多，将会对薄膜性能造成一定的影响。

表1　不同偏压下薄膜中元素含量

图1　偏压为80V时，氮铝铬薄膜微观形貌

图2为偏压与薄膜中铝含量对硬度的影响。显然，随着薄膜中铝含量的升高薄膜硬度呈上升趋势，并且在偏压升高到150V时，对应的硬度相比其他两个偏压下的硬度都要高。继续升高偏压到200V时，硬度没有上升反而下降，甚至比80V偏压下的薄膜硬度还要低。

有文献报道铝元素添加到氮化铬中会形成网状的非晶氮化铝晶粒边界，由于晶粒边界效应，可以有效降低晶粒尺寸［5］。根据霍尔佩奇关系，具有细小晶粒的薄膜会起到强化效果。从图3、4、5中薄膜断面形貌可以看出，150V偏压下的薄膜柱状晶粒较细小，并且薄膜更致密，所以导致了其硬度较高。另外，由于在薄膜中加入了铝元素将会减小氮化铬薄膜的点阵常数，增加共价键数量，这也可能是导致随着薄膜中铝含量升高而硬度升高的原因［6］。150V偏压下沉积的薄膜之所以硬度会较高还与沉积过程中产生的应力有关［7］。

图2　偏压及铝含量对氮铝铬薄膜硬度的影响

3　结论

采用反应磁控溅射法在烧结Nd-FeB表面连续地沉积了一系列不同铝含量的氮铝铬薄膜。研究了铝含量及基底负偏压对薄膜结构及硬度的影响。研究结果表明：随着薄膜中铝含量的增加显微结构由粗大的柱状晶向致密的柱状晶发展，表面形貌由片层状逐渐过渡为多边形状、半圆顶状。并且偏压由80V升高到150V时有助于薄膜致密化，但是施加200V过高的偏压反而会损伤薄膜形貌。力学性能测试表明铝含量增多后薄膜的硬度降低，施加150V偏压时薄膜的硬度明显优于其他两个偏压。

［1］Chunyan Y，Linhai T，Yinghui W，et al.基体偏压对CrAlN涂层改性离子束增强磁控溅射沉积的冲击性能的影响［J］.应用表面科学，2009，255（7）：4033-4038.

［2］Wang Y X，Zhang S，Lee J W，et al.偏压对磁控溅射CrAlN薄膜硬度和韧性的影响 ［J］.表面薄膜技术，2012，206（24）：5103-5107.

［3］Lv Y，Ji L，Liu X，et al.偏压周期对中频非平衡磁控溅射CrAlN薄膜结构和性能的影响［J］.表面薄膜技术，2012，206（19）：3961-3969.

［4］Lv Y，Ji L，Liu X，et al.偏压对非平衡磁控溅射CrAlN薄膜结构和性能的影响 ［J］.应用表面科学，2012，258（8）：3864-3870.

［5］Liu Z J，Shum P W，Li K Y，et al.在Si（100）基底反应溅射TiAlN薄膜粗糙化动力学 ［J］.哲学杂志快报，2003，83（10）：627-634.

［6］Zhou M，Makino Y，Nose M，et al.射频等离子体辅助磁控溅射Ti-Al-N薄膜的相转化和性能［J］.固体薄膜，1999，339 （1）：203-208.

［7］Karlsson L，Hultman L，Johansson M P，et al.弧光蒸发TiC x N 1 x（0≤ x≤ 1）薄膜的生长、结构和力学性能［J］.表面薄膜技术，2000，126（1）：1-14.

吴耀金