低温反应溅射沉积α-(Al,Cr)2O3薄膜及其性能的研究

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α-(Al,Cr)2O3是具有刚玉结构的六方紧密堆垛晶体,晶格能很高,与同是刚玉结构的α-Al2O3性能类似,具有室温和高温硬度高、化学稳定性好、电绝缘性高、氚渗透率低等优越性能,是理想的耐磨、电绝缘、扩散阻挡和防氚渗透涂层材料,具有广阔的应用前景。α-(Al,Cr)2O3是α-Al2O3和α-Cr2O3的固溶体,其性质与α-Al2O3和α-Cr2O3的相对含量密切相关,α-Al2O3的含量增高时,其热稳定性,介电和绝缘性能均相应提高,本文用Al/Cr/α-Al2O3靶材来进行低温反应溅射沉积,用一部分α-Al2O3来取代α-Cr2O3作为籽晶,来达到低温反应磁控溅射沉积富铝α-(Al,Cr)2O3薄膜的目的。结果如下:基体温度对射频反应溅射Al80Cr15(α-Al2O35靶所沉积的薄膜相组织结构有显著影响。当基体温度为500℃时,薄膜由γ-Al2O3、α-Cr2O3和α-Al2O3组成,随着基体温度提高,薄膜内的γ-Al2O3转变成κ-Al2O3,当基体温度达到600℃,薄膜相组成为刚玉结构的α-(Al,Cr)2O3。设计并烧结制备出不同Cr含量的AlxCr95-x(α-Al2O35(x=80,70,60)溅射靶材来研究基体温度对不同Cr含量的Al-Cr-O薄膜相组织结构的影响。结果表明,随着靶材中Cr含量的提高,制备刚玉结构的α-(Al,Cr)2O3薄膜的所需基体温度降低,靶材中Cr和α-Al2O3均有提供α相外延生长,抑止亚稳相氧化铝形核功能,从而降低形成α相薄膜温度。溅射Al70Cr25(α-Al2O35复合靶可以在基体温度为550℃时得到富铝单相α-(Al0.74Cr0.26)2O3纳米晶薄膜,其纳米压痕硬度30.2±1.7GPa,压入弹性模量为244.3±3.2GPa;使用Si3N4陶瓷球作为对磨材料的摩擦系数为0.41,磨痕宽度仅有100μm,介电常数为14.8,电阻率为1.83×107Ω·cm。沉积温度对反应溅射Al70Cr25(α-Al2O35靶所制备的Al-Cr-O薄膜的力学和电学性能有显著的影响。在基体温度低于550℃时,基体温度的升高,薄膜的硬度和弹性模量有较为明显升高,当基体温度高于550℃后基体温度对薄膜的硬度和弹性模量的影响趋于平稳。随着基体温度从500℃升高至600℃,薄膜的相对介电常数下降,电阻率有明显的提升,600℃时制备的薄膜电阻率可以达到2.30×107Ω·cm。
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