D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2005.02.050 第27卷第2期 北京科技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 射频反应磁控溅射制备氧化铬薄膜技术及性能 熊小涛阎良臣杨会生王燕斌 北京科技大学材料物理与化学系，北京100083 摘要研究了采用射频反应溅射方法制备氧化铬耐磨镀层的技术和薄膜的性能，结果表 明，采用金属靶材进行射频反应澱射时，由于靶材与反应气体的反应，会出现两种射模式， 即金属态溅射和非金属态溅射，非金属态溅射模式的沉积速率很低，氧化铬薄膜的硬度主要 决定于薄膜中CO含量，在供氧量不足时会生成低硬度的CO,制备高硬度氧化铬薄膜需要 采用尽可能高的氧流量进行溅射，采用在基片附近局域供氧，可以实现高溅射速率下制备出 高硬度的氧化铬薄膜. 关键词氧化铬；薄膜；磁控溅射；力学性能 分类号TG174.44;0484.4 氧化铬薄膜是近年来发展出来并受到重视 铬，真空系统采用分子泵系统，系统的本底真空 的一种耐磨镀层.因为CO具有高硬度，可达到 为2×104Pa.溅射过程中工作气体为高纯氩气， 30GPa,低摩擦系数，熔点很高（达到2266C),因 流量为8 cm'/min,反应气体为高纯氧气，溅射过 此抗磨蚀能力强，而且具有与基体结合力强，脆 程中压强为2×10Pa.基片选用45号钢.溅射过 性低，内应力较小（压应力），可沉积较厚的镀层 程中基片不加热，靶材与基片的距离为80mm, 等优点私，因此被用于数字磁记录读写头保护 溅射时间为1h. 层，并称为超级保护层1，以及用于气体轴承， 制备的氧化铬薄膜的晶体结构采用理学D/ 汽车的汽缸内壁等.此外，氧化铬薄膜还具有高 Max-RB转靶X射线衍射仪分析，薄膜硬度采用 的抗氧化性能，耐腐蚀性能及特有的光学性能 NanoindentⅡ硬度仪测量，薄膜厚度使用台阶仪 等，所以在其他方面也有较广泛的应用前景. 测量， 对于不同的用途镀层，常采用不同的制备方 法，如等离子体喷涂，化学气相沉积，辉光放电， 2结果与讨论 磁控溅射，不同的制备方法具有不同的优缺点， 2.1射频反应溅射的工作模式 在这些制备方法中，射频磁控反应溅射方法虽然 化合物薄膜常采用反应溅射方法沉积.在反 沉积速率不高，但沉积的薄膜具有表面平整、致 应溅射过程中，反应气体的原子与从金属靶材表 密、精度高等优点，因此适用于制备高精度零件 面溅射出来的原子发生反应，并在基片上形成化 的表面耐磨镀层.本文将深入研究采用射频反应 合物薄膜，例如在本文中反应气体为氧气，沉积 溅射制备氧化铬薄膜过程中的技术问题及制备 薄膜为氧化铬.在薄膜形成的同时，反应气体原 薄膜的性能， 子也会与靶材表面原子反应形成氧化物.当靶材 1实验方法 表面原子被溅射出来的速率小于被氧化的速率 时，靶材表面将形成氧化层，并且面积逐渐扩大， 实验采用自行设计研制的射频磁控反应溅 当靶材表面全部被氧化层覆盖时，金属靶将不能 射系统制备氧化铬薄膜.靶材为纯度99.99%的 导电，采用直流反应磁控溅射时，出现这种情况 收稿日期：20040906修回日期：20041102 后，溅射将不能进行，此现象通常称为靶材中毒， 基金项目：国防科学技术委员会资助项目No.MKPT-0475) 即使在靶材表面没有全部被不导电的化合物层 作者简介：熊小涛(1959一)，男，高级工程师 覆盖时，由于靶表面电荷积累，也会发生局部放第 2 7 卷 第 2 期 2 0 0 5 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n vi e sr iyt o f S e i e n e e a n d Te e h n o l o yg B e ij ni g V b l . 2 7 N o . 2 A P . r 2 0 0 5 射频反应磁控溅射制备氧化铬薄膜技术及性能 熊 小 涛 阎 良臣 杨会 生 王 燕 斌 北京 科技 大学材 料物 理与 化学 系 , 北京 10 0 0 83 摘 要 研 究 了采 用射 频 反应溅 射 方法 制备 氧化铬 耐 磨镀 层 的技术 和薄 膜 的性 能 . 结 果表 明 , 采用 金属靶 材进 行 射频 反应溅 射 时 , 由于靶 材与 反应气 体 的反 应 , 会 出现两 种溅 射模 式 , 即 金属 态溅射 和 非金 属态溅 射 , 非金 属态 溅射 模式 的沉 积速 率很 低 . 氧 化铬 薄膜 的硬 度 主要 决 定于 薄膜 中 C 几0 3 含量 , 在供 氧 量不 足 时会 生成低 硬度 的 C旧 , 制 备高 硬度 氧化 铬薄 膜 需要 采 用尽 可能 高 的氧 流 量进行 溅射 . 采 用在 基 片附近 局域 供氧 , 可 以实现 高溅 射速 率下 制 备 出 高 硬度 的氧 化铬 薄膜 . 关键 词 氧 化铬 ; 薄 膜 ; 磁控 溅射 ; 力 学性 能 分 类号 T G 1 7 4 . 4 4 ; 0 4 5 4 . 4 氧 化 铬 薄 膜 是 近 年 来 发 展 出 来 并 受 到 重 视 的一种 耐 磨镀 层 . 因 为 C n 0 3 具 有 高硬 度 , 可 达 到 3 0 G P a , 低 摩 擦系 数 , 熔 点很 高 (达 到 2 2 66 o C ) , 因 此 抗 磨蚀 能 力 强 , 而 且具 有 与基 体 结合 力 强 , 脆 性 低 , 内应 力较 小 (压 应 力 ) , 可沉 积较 厚 的镀层 等 优 点 `, · ” , 因此 被 用 于数 字 磁记 录 读 写头 保 护 层 , 并称 为超 级保 护层 `2 一 5 , , 以及用 于 气体 轴承 `, ` 4] , 汽 车 的汽 缸 内壁 等 . 此外 , 氧 化铬 薄膜 还 具 有 高 的抗 氧 化性 能 , 耐 腐 蚀 性 能及 特 有 的光 学 性 能 等 , 所 以在 其他 方 面 也有 较 广泛 的应 用前 景 . 对 于 不 同的用 途镀 层 , 常采 用 不 同 的制 备 方 法 , 如 等 离子 体 喷涂 , 化 学 气相 沉 积 , 辉 光放 电 , 磁 控 溅射 , 不 同的制 备 方法 具 有 不 同的 优缺 点 . 在这些 制 备方 法 中 , 射 频磁 控 反应 溅射 方 法虽 然 沉积 速 率不 高 , 但 沉 积 的 薄膜 具有 表 面 平整 、 致 密 、 精 度 高等 优 点 , 因此适 用 于 制备 高 精度 零 件 的表 面耐 磨镀 层 . 本文 将 深入 研 究采用 射 频 反应 溅 射 制 备 氧 化铬 薄膜 过 程 中的 技 术 问题 及 制 备 薄膜 的性 能 . 铬 . 真 空 系统 采 用分 子 泵 系统 , 系 统 的本 底真 空 为 Z x lo 一 ` P a . 溅 射 过 程 中工 作气 体 为 高纯氢 气 , 流 量 为 8 。m 3 m/ in , 反应 气 体 为高 纯氧 气 , 溅射 过 程 中压 强为 2 ` or 一 , aP . 基 片选 用 45 号钢 . 溅射 过 程 中基 片不 加 热 , 靶 材 与基 片 的距 离 为 80 m m , 溅 射 时 间 为 l .h 制 备 的氧化 铬 薄膜 的 晶体 结构 采 用 理 学 D/ M ax 一 BR 转靶 x 射 线 衍射 仪 分析 , 薄膜 硬 度采 用 N aon in d ent n 硬 度 仪 测量 , 薄膜 厚 度使 用 台 阶仪 测量 . 1 实验 方 法 实验 采 用 自行 设计 研制 的射 频 磁 控 反 应 溅 射 系统 制 备 氧化 铬 薄 膜 . 靶 材 为 纯度 9 .9 9 % 的 收稿 日期 : 2 0 4 es 习9 -0 6 修 回 日期 : 20 0今 11一2 基金 项 目 : 国防科 学技术 委 员会 资助项 目《N o . 州胶卫T 一 0 4 7 5) 作者 简介 : 熊 小涛 ( 19 5 9一 ) , 男 , 高级 工 程师 2 结果 与讨 论 2 . 1 射 频 反应 溅 射 的工 作模 式 化 合 物 薄膜 常采 用 反应 溅 射方 法 沉积 . 在反 应溅 射 过程 中 , 反 应气 体 的原 子与 从金 属靶 材表 面溅 射 出来 的 原子 发生 反应 , 并在基 片 上 形成化 合物 薄 膜 . 例如 在 本 文 中反应 气 体 为氧 气 , 沉积 薄膜 为 氧化 铬 . 在 薄膜 形 成 的 同时 , 反 应气 体 原 子 也会 与靶 材 表面 原子 反 应形 成氧化 物 . 当靶材 表 面 原 子被 溅 射 出来 的速 率 小 于被 氧 化 的速 率 时 , 靶 材表 面将 形 成氧 化层 , 并且面 积逐 渐 扩大 . 当 靶材 表面 全 部被 氧化 层 覆盖 时 , 金属 靶 将不 能 导 电 . 采 用 直 流反 应 磁控 溅 射 时 , 出现 这种 情 况 后 , 溅 射将 不 能进 行 , 此现 象通 常称 为靶 材中毒 . 即使 在 靶 材表 面 没 有 全 部 被 不 导 电 的化 合 物 层 覆 盖 时 , 由于 靶表 面 电荷 积 累 , 也会 发 生局 部 放 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 02. 050