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基体偏压对MPP制备AlTiSiN涂层结构及性能的影响

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摘要：近些年发展起来的高功率脉冲磁控溅射技术（High Power Impulse Magnetron Sputtering, HIPIMS）可以提高沉积薄膜的致密性和膜基结合力，尤其是对于形状复杂工件表面涂层沉积、反应控制、沉积材料到指定区域等有重要意义。但相对于传统的直流磁控溅射及多弧离子镀技术来说，HIPIMS仍有沉积速率较低，放电稳定性、可控性有待改善等不足存在。为改善上述问题，研究者从改善HIPIMS技术放电波形出发，研究出可调控高功率脉冲磁控溅射（Modulated Pulsed Power Magnetron Sputtering）技术。MPP电源通过微脉冲调控脉冲位形，降低峰值电流和峰值功率约一个量级，而脉冲宽度拓宽至ms级，最大可达3ms，占空比达28%，且脉冲作用时间内电压保持恒定，可实现包含预离化过程在内的多段脉冲位形，进一步提高了高功率脉冲磁控溅射技术放电的稳定性和可控性。本文利用MPP涂层沉积技术，通过调控基体偏压（-50~-250V），制备了不同基体偏压条件下的AlTiSiN纳米复合硬质涂层。采用X射线衍射仪（XRD）、扫面电子显微镜（SEM）、能量色散谱仪（EDS）、原子力显微镜（AFM）、薄膜综合性能测试仪及大气球盘摩擦测试仪分析了涂层的微观组织结构、组成成分、表面形貌、力学及摩擦学性能。研究结果显示：随着基体偏压的逐渐升高，涂层沉积速率整体变化不明显。XRD结果表明AlTiSiN纳米复合硬质涂层呈现典型的B1-NaCl组织结构，涂层晶面衍射峰宽化现象明显，呈现纳米晶组织结构，随基体偏压升高至-200V时，涂层晶面衍射峰形成较为明显的“馒头峰”形态，表明涂层结晶性能出现明显下降，呈现非晶组织结构形态；进一步升高基体偏压至-250V，由于高能离子对成膜表面的持续轰击作用，基体温升明显，使得涂层结晶性能得到明显改善。涂层微观表面光滑致密，无金属液滴、微裂纹等微观缺陷出现，表面粗糙度最低可达1.753nm。力学性能方面，随放电电压的升高，涂层硬度在取得最大值后逐渐下降，最大值可达25.9GPa，H/E*系数可达0.13。摩擦性性能方面，偏压为-200V时，涂层磨损率取得最小值4.7×10-15m3/N.m。采用MPP技术制备AlTiSiN纳米复合硬质涂层，通过改变基体偏压，可实现对到达成膜表面沉积离子束流能量的有效调控，进而优化涂层的组织结构及力学性能。
关键词：MPP；AlTiSiN；基体偏压；组织结构；力学性能；摩擦性性能