高功率脉冲非平衡磁控溅射制备CrN_x薄膜及其性能研究.docx

高功率脉冲非平衡磁控溅射制备CrN_x薄膜及其性能研究
摘要：本文采用高功率脉冲非平衡磁控溅射技术制备了CrN_x薄膜，并研究了其结构、显微组织、硬度及耐蚀性等性能。实验结果表明，CrN_x薄膜具有致密的结构，晶粒细小且多为立方晶相，硬度高达21.5GPa，耐蚀性良好。这些性能使得CrN_x薄膜在微电子、仪表等领域有着广泛的应用前景。
关键词：高功率脉冲非平衡磁控溅射；CrN_x薄膜；结构；硬度；耐蚀性
引言：CrN_x薄膜是一种优良的功能薄膜材料，具有优异的力学性能、热稳定性和化学稳定性，能够广泛应用于微电子、仪表等领域。现有的制备方法主要包括磁控溅射、电弧离子镀、化学气相沉积等。然而，这些方法普遍存在结晶缺陷、晶粒粗大、沉积速率低等问题。近年来，高功率脉冲非平衡磁控溅射技术得到了广泛的关注，具有沉积速率高、晶体缺陷少、晶粒细小等优点，为制备CrN_x薄膜提供了新的选择。因此，本文选用高功率脉冲非平衡磁控溅射技术制备CrN_x薄膜，并对其性能进行研究。
实验：采用高功率脉冲非平衡磁控溅射系统（PPMS-4000）制备CrN_x薄膜。沉积工艺条件为：衬底材料为硅（100）单晶，预处理后放入真空室，真空度保持在5×10-4Pa左右，衬底温度为300℃，Ar/N2气体比例为3:1，脉冲功率为5KW，脉冲宽度为200μs，脉冲重复频率为50Hz，沉积时间为60min。制备好的CrN_x薄膜进行了X射线衍射分析（XRD，3kW，CuKα），场发射扫描电子显微镜观测（SEM，JCM-5000）、高分辨透射电子显微镜观测（TEM，JEM-200CX），表面形貌观测（AFM，NanoScopeIIIa）等性能测试，同时采用扫描电子显微镜进行耐蚀性测试。硬度测试使用超硬度材料硬度计进行。
结果与分析：XRD分析结果表明，CrN_x薄膜沉积后形成的基板和薄膜之间没有明显的反射峰，表明其致密的结构。SEM观察显示，薄膜表面平整光滑，无裂纹、凸起和气孔等缺陷。TEM图像表明，晶粒大小为30~50nm，多为立方晶相。硬度测试结果显示，CrN_x薄膜硬度高达21.5GPa，这可能是由于沉积时产生的氮化物相对于纯CrN具有较高的氮含量所致。耐蚀性测试结果表明，在3.5wt%NaCl溶液中，CrN_x薄膜的耐蚀性能与304不锈钢相当。
结论：本文采用高功率脉冲非平衡磁控溅射技术成功制备了CrN_x薄膜，其晶粒细小、多为立方晶相、致密的结构及高硬度等性能，使得其在微电子、仪表等领域有着广泛的应用前景。