采用復合高功率脈沖磁控濺射技術在單晶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 時對薄膜的組織結構和力學性能的影響。結果表明，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量級能量均增大，使得沉積的薄膜組織結構更加致密，晶粒逐漸細化，表面更加光滑，硬度提高。高功率脈沖磁控濺射技術具備了磁控濺射技術制備的薄膜表面光滑優(yōu)勢，以及電弧離子鍍高離化率特點，獲得了結構性能優(yōu)異的CrN 薄膜。

　　相對于應用廣泛的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和殘余應力，以及更優(yōu)異的韌性和耐腐蝕性能，被廣泛應用與各種抗磨損場合，如內燃機活塞環(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，但是弧源提供的金屬等離子體中存在大量液滴，導致被沉積薄膜表面存在大顆粒，嚴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，導致膜基結合力較差，涂層易剝落失效。磁控濺射和多弧離子鍍技術都不可避免地存在一些缺點，為了研發(fā)更多實用的高質量涂層及其在工業(yè)的推廣，真空技術網(http://www.lalazzu.cn/)認為探討新型涂層制備技術已成為涂層領域的迫切需求。

　　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產生高濺射金屬離化率的一種磁控濺射技術，它具備了電弧離子鍍高的離化率和直流磁控濺射無大顆粒的優(yōu)勢，可以制備出表面光滑且結構致密的薄膜，對薄膜的性能改善具有重要意義。本文采用HPPMS技術制備CrN硬質薄膜，重點研究電源脈沖電壓對CrN薄膜的結構和性能的影響。

1、實驗方法

　　鍍膜采用的設備為自主研制的磁過濾陰極真空電弧復合磁控濺射鍍膜機，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)大學研制的直流復合脈沖電源。復合直流一方面針對靶材進行預離化，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。其中單晶硅片用來表征薄膜形貌，不銹鋼片用來測試薄膜力學性能，玻璃片用來掃描X 射線衍射(XRD) 。先將基片在丙酮里超聲清洗15 min，吹風機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，通過支架的公轉系統(tǒng)將基片移動到正對磁控靶材的位置，待真空室的真空度達到3. 0 ×10 ^-3 Pa 以下時開始實驗。首先向腔內通入純度為99.99%的高純Ar 氣，使氣壓達到1.33 Pa，向基體施加350 V 負偏壓利用輝光放電對基體刻蝕30min。然后調整Ar 流量為50 mL /min(標準狀態(tài)) ，使腔內氣壓為0.2 Pa，開啟高功率脈沖電源，調整直流電流為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 過渡層，時間為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，電源其它參數及基體偏壓與過渡層沉積工藝相同，鍍膜時間為30 min。

　　上述實驗過程中基體正對靶材且不旋轉。采用Hitachi 公司S-4800 場發(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布魯克公司D8 Advance X 射線衍射( XRD) 儀測試。薄膜的納米硬度以及彈性模量采用美國MTS 公司NANO G200 納米壓痕儀測試，采用動態(tài)實時加載卸載模式，壓入深度為300 nm，為了減小基底對測量結果的影響，取壓入深度為膜厚的1 /10 處為測量值，每個樣品均對4 個測點取平均值。采用原子力顯微鏡( AFM) 測量薄膜表面的粗糙度。采用美國center for tribology 公司生產的UMT-3 多功能摩擦磨損試驗機測試摩擦磨損，用輪廓儀掃描劃痕輪廓曲線計算薄膜的磨損率，用維氏硬度計壓痕表征薄膜的韌性。

圖1 HIPIMS 系統(tǒng)示意圖

3、結論

　　本文采用HPPMS 制備CrN 薄膜，通過改變高功率脈沖電源中的脈沖電壓參數，研究靶電流放電特性以及薄膜結構、力學性能的變化，得出以下結論: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，表明晶格常數變小、晶粒變細; 在脈沖電壓為750 V 時薄膜的晶粒最細，結構最致密，且表面光滑; 通過HPPMS 技術獲得了硬度為18. 5GPa 的CrN 薄膜，與直流磁控濺射相比，薄膜硬度大幅度提升。