高功率脉冲磁控溅射峰值功率对纯铬及氮化铬薄膜力学性能的影响

发布时间：2017-07-04 04:46

  本文关键词：高功率脉冲磁控溅射峰值功率对纯铬及氮化铬薄膜力学性能的影响

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【摘要】：高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)技术具有较高的靶材峰值功率和较低的占空比,能使靶材原子高度离化,从而产生具有高能量的离子。在薄膜沉积过程中,大量高能离子轰击薄膜,使所沉积薄膜的性能(如硬度、结合强度、耐磨性等)显著提高,因此开展靶材原子离化率的相关工作具有非常重要的意义。本文旨在探究影响靶材功率和金属离化率的主要因素,继而制备纯铬(Cr)及氮化铬(CrN)薄膜,研究峰值功率对薄膜结构和力学性能的影响。首先通过改变HIPIMS技术中工艺参数(如气压)以及电源参数(脉宽、频率、电压、限流电阻等)研究Cr靶放电特性及等离子体组分的变化,探索影响靶材放电和金属离化率的最主要参数。研究结果表明：限流电阻能够显著调控靶材峰值功率,是影响金属离化率的最主要因素。其次,通过调节HIPIMS技术电路中的限流电阻,可以得到不同峰值功率。在此基础上,采用不同峰值功率制备纯铬(Cr)薄膜,对所制备薄膜的微观结构、表面形貌、力学性能等进行评价。研究结果表明：随着靶峰值功率的增加,等离子体中各组分(Cr+,Cr0,Ar+,Ar0)强度值以及金属离化率逐渐增加,同时基片上离子流密度和离子原子到达比也相应增加；不同峰值功率所制备纯Cr薄膜的相结构基本一致；薄膜的晶粒尺寸和表面粗糙度均随峰值功率的增加而减小；薄膜的力学性能检测表明所沉积纯Cr薄膜的残余压应力和显微硬度随峰值功率的增加而增加,但由于过大的应力会削弱膜/基结合力,因此在高的峰值功率下,所制备纯Cr薄膜与基体的结合强度有所降低。在研究纯Cr薄膜的基础上,采用HIPIMS技术改变限流电阻,在不同峰值功率下制备氮化铬(CrN)薄膜,研究峰值功率对金属原子离化率以及CrN薄膜微观结构、表面形貌和力学性能的影响。研究发现：随着峰值功率的增加,等离子体各组分(Cr+,Cr0,Ar+,Ar0)强度和金属原子离化率逐渐增加；相结构分析发现薄膜中均出现CrN(200)和CrN(220)衍射峰,高的峰值功率所制备薄膜中还出现了一个较弱的Cr2N(111)衍射峰；随着峰值功率的增加,由于基体表面温度升高,导致所沉积CrN薄膜晶粒尺寸逐渐增大；不同的峰值功率下制备的CrN薄膜均具有良好的膜/基结合强度；特别要指出的是,在高的峰值功率下,所制备CrN薄膜的耐磨性和韧性均有较大提高。
【关键词】：HIPIMS 峰值功率 离化率 纯Cr薄膜 CrN薄膜 力学性能
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O614.611;TB383.2
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)12-16
• 1.1.1 高功率脉冲磁控溅射技术的提出12-13
• 1.1.2 高功率脉冲磁控溅射技术的放电机制13-14
• 1.1.3 高功率脉冲磁控溅射的应用14-15
• 1.1.4 高功率脉冲磁控溅射存在问题15-16
• 1.2 CrN薄膜16-19
• 1.2.1 CrN薄膜性质和结构16
• 1.2.2 CrN薄膜应用16-17
• 1.2.3 CrN薄膜制备方法17-18
• 1.2.4 高功率脉冲磁控溅射技术制备CrN薄膜18-19
• 1.3 本文选题意义和研究内容19-20
• 第2章 实验装置与实验方法20-28
• 2.1 高功率脉冲磁控溅射设备20-21
• 2.2 基体材料的选择与处理21
• 2.3 电学参数及等离子体发射光谱采集21-23
• 2.3.1 靶材放电电学参数的采集21-22
• 2.3.2 等离子体发射光谱的采集22-23
• 2.4 薄膜的厚度和应力分析23-24
• 2.5 薄膜的结构、成分和形貌分析24-26
• 2.5.1 薄膜的结构分析24
• 2.5.2 薄膜的成分分析24-25
• 2.5.3 薄膜的形貌分析25-26
• 2.6 薄膜的力学性能表征26-28
• 2.6.1 薄膜的显微硬度分析26
• 2.6.2 膜/基结合性能评价26-27
• 2.6.3 摩擦磨损性能评价27-28
• 第3章 高功率脉冲磁控溅射Cr靶放电特性及等离子组分研究28-42
• 3.1 工作气压对Cr靶放电及等离子组分的影响28-31
• 3.1.1 工作气压Cr靶放电特性的影响28-30
• 3.1.2 工作气压对等离子体组分的影响30-31
• 3.2 频率对Cr靶放电及等离子组分的影响31-33
• 3.2.1 频率对Cr靶放电特性的影响31-32
• 3.2.2 频率对等离子体组分的影响32-33
• 3.3 脉冲宽度对Cr靶放电及等离子组分的影响33-36
• 3.3.1 脉冲宽度对Cr靶放电的影响33-35
• 3.3.2 脉冲宽度对等离子体组分的影响35-36
• 3.4 电压对Cr靶放电及等离子组分的影响36-38
• 3.4.1 电压对靶材放电特性的影响36-37
• 3.4.2 电压对等离子体组分的影响37-38
• 3.5 限流电阻对Cr靶放电及等离子组分的影响38-40
• 3.5.1 限流电阻对Cr靶放电特性的影响38-39
• 3.5.2 限流电阻对等离子体组分的影响39-40
• 3.6 本章小结40-42
• 第4章 峰值功率对纯Cr薄膜结构与力学性能的影响42-52
• 4.1 Cr薄膜的制备42
• 4.2 基片离子流密度和离子原子到达比42-43
• 4.3 Cr薄膜沉积速率和残余应力43-45
• 4.3.1 Cr薄膜沉积速率43-44
• 4.3.2 Cr薄膜残余应力44-45
• 4.4 Cr薄膜微观结构45-48
• 4.4.1 Cr薄膜相结构分析45
• 4.4.2 Cr薄膜TEM分析45-46
• 4.4.3 Cr薄膜AFM分析46-48
• 4.5 Cr薄膜力学性能48-51
• 4.5.1 Cr薄膜显微硬度48-49
• 4.5.2 Cr薄膜与基体结合强度分析49-51
• 4.6 本章小结51-52
• 第5章 峰值功率对CrN薄膜结构与力学性能的影响52-64
• 5.1 CrN薄膜的制备52-53
• 5.2 靶材放电特性及等离子体组分53-55
• 5.2.1 靶材放电特性曲线53-54
• 5.2.2 等离子体组分分析54-55
• 5.3 CrN薄膜沉积速率和微观结构55-58
• 5.3.1 CrN薄膜沉积速率55
• 5.3.2 CrN薄膜相结构分析55-56
• 5.3.3 CrN薄膜表面和断面形貌56-58
• 5.3.4 CrN薄膜成分分析58
• 5.4 CrN薄膜力学性能评价58-63
• 5.4.1 CrN薄膜残余应力58-59
• 5.4.2 CrN薄膜纳米硬度和弹性模量59-60
• 5.4.3 CrN薄膜与基体结合强度分析60-61
• 5.4.5 CrN薄膜耐磨性评价61-63
• 5.5 本章小结63-64
• 结论64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-72
• 攻读硕士学位期间发表论文72

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本文编号：516355