反应磁控溅射制备CrN涂层的热稳定性

作者：金玉花; 程融; 柴利强; 张学希; 王鹏^*

来源：表面技术, 2022, 51(12): 82-108.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.12.007

• CrN涂层
• 反应磁控溅射
• 热稳定性
• 氧化行为
• 释放
• 扩散阻挡

目的 研究了真空、大气2种环境下CrN涂层的热稳定性与氧化行为。方法 采用反应磁控溅射技术在(100)取向的P型单晶硅基底上制备了CrN涂层。利用真空热脱附谱(TDS)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)以及加装的能谱仪(EDS)等表征方法，研究了在不同温度下涂层的热稳定性与氧化行为。结果 在真空退火时，TDS结果表明Cr N涂层中的N在664℃左右开始释放，在温度达到1 000℃时释放结束。而在温度高于900℃时释放速率和释放量开始迅速上升，在温度达到930℃时达到峰值。在加热过程中，涂层中的CrN相部分转变为Cr2N相，在温度达到1000℃时，完全转变为CrSi2相。在大气环境中，当温度达到700℃时，涂层开始被氧化，涂层表面生成了一层约136 nm厚的致密氧化层，同时在氧化层下方生成了一层CrOxN1-x的过渡层，并且涂层也出现了Cr2O3的拉曼峰。当温度达到800℃时，Cr2O3氧化物拉曼峰和衍射峰的数量和强度显著增加，说明涂层表面生成的氧化物的结构由简单变为复杂，并且结晶性增强。此外，氧化物颗粒逐渐长大，氧化层厚度增加，在温度达到850℃时，氧化层厚度达到429nm。当温度高于700℃时，CrN涂层沿着厚度方向的元素扩散行为是O元素的向内扩散和N、Cr元素的向外扩散，并且释放的N在氧化层下方富集，并没有释放出去。结论 CrN涂层在真空中的热稳定性在900℃左右，在大气中的热稳定性在700℃左右。在大气中致密的Cr2O3氧化层的形成对O元素的向内扩散和N、Cr元素的向外扩散具有很好的阻挡作用。氧化层的这种阻挡作用对涂层的内部起到保护作用，延缓了涂层进一步的氧化和分解，这是CrN涂层热稳定性较好的原因。

• 单位
  中国科学院兰州化学物理研究所; 固体润滑国家重点实验室; 兰州理工大学