Caracterização de filmes finos de CrN depositados por DOMS (Deep Oscillations Magnetron Sputtering)

Abstract

O presente trabalho insere-se na segunda etapa do estudo das potencialidades de uma fonte de HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) que opera em modo de Deep Oscilations Magnetron Sputtering (DOMS) recentemente adquirida pelo Centro de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra (CEMUC). Este trabalho consistiu na caracterização de filmes finos de nitreto de crómio (CrN) previamente depositados por DOMS no CEMUC. Assim, foi estudada a influência da corrente de pico média (Ipm) e da pressão na morfologia, estrutura e propriedades mecânicas de filmes finos de CrN. Para esse efeito foram caracterizados filmes depositados a 0,7 e 0,3 Pa com valores crescentes de Ipm. Foram ainda caracterizados filmes depositados por DCMS (Direct Current Magnetron Sputtering) para efeitos de comparação. O filme depositado por DCMS a baixa pressão (0,3 Pa) com polarização do substrato apresenta uma morfologia colunar densa, uma orientação preferencial [200], uma dureza de 17 GPa e um módulo de Young de 272 GPa. O filme depositado por DCMS a alta pressão sem polarização do substrato apresenta uma morfologia colunar porosa, uma orientação preferencial [111], uma dureza de 7,2 GPa e um módulo de Young de 159 GPa. A taxa de deposição dos filmes depositados por DOMS é inferior em pelo menos 50 % à taxa obtida por DCMS. Os filmes apresentam geralmente uma orientação preferencial [200]. O aumento de Ipm altera a morfologia dos filmes de colunar para densa, aumenta a dureza até um máximo de 28,8 GPa e provoca uma diminuição da taxa de deposição. No entanto, a taxa de deposição dos filmes depositados por DOMS não é influenciada pela pressão de deposição. A ionização do material pulverizado que ocorre durante a deposição por DOMS permite a deposição de filmes de CrN com boas propriedades mecânicas numa gama de pressões alargada em comparação com o DCMS.

This work is part of the second stage of the study of the potential of a HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) power supply which operates in Deep Oscillations Magnetron Sputtering (DOMS) recently acquired by the Centre of Mechanical Engineering of the University of Coimbra (CEMUC). This work consisted in the characterization of thin films of chromium nitride (CrN) previously deposited by DOMS in the CEMUC. Thus, the influence of the average peak current (Ipm) and the pressure in the morphology, structure and mechanical properties of thin films of CrN was studied. For this purpose, films deposited at 0,7 and 0,3 Pa with increasing values of Ipm have been characterized. Were also characterized films deposited by DCMS (Direct Current Magnetron Sputtering) for comparison. The film deposited by low pressure DCMS (0,3 Pa) and substrate bias has a dense columnar morphology, a [200] preferential orientation, a hardness of 17 GPa and a Young's modulus of 272 GPa. The film deposited by high pressure DCMS (0,7 Pa) and without substrate bias has a porous columnar morphology, a [111] preferential orientation, a hardness of 7.2 GPa and a Young's modulus of 159 GPa. The deposition rate of the films deposited by DOMS is lower by at least 50% of the rate obtained by DCMS. The films generally exhibit a [200] preferential orientation. The increase of Ipm changes the morphology of the films from columnar to dense, increases hardness to a maximum of 28.8 GPa and causes a decrease in the deposition rate. However, the deposition rate of the films deposited by DOMS is not influenced by the pressure of deposition. The ionization of the sputtered species in DOMS allows the deposition of CrN films with good mechanical properties over a wider range of pressures compared to DCMS.