Microstructure and hardness of magnetron (Cr, Si)N coatings with up to 30 at. % Si

The reactive magnetron sputtering of Cr and CrSi targets having from 2 to 30 at. % Si was applied to deposit coatings on silicon substrates heated up to 600°C. The coating microstructure was characterized using TECNAI FEG (200 kV) transmission electron microscope equipped with EDS attachment. Thin foils were prepared showing coating microstructure both in plan-view and cross-section. The investigations showed that coatings of up to 2 um thickness were all characterized by a columnar microstructure. The analysis of the electron diffractions indicated only presence of the cubic CrN phase. The high resolution observation confirmed presence of high defect density in all coatings, but excluded presence of amorphous phase at crystallites boundaries. The EDS analysis helped to prove, that silicon was distributed uniformly within the coatings and its level exceed by 1÷3 at. % the one in the respective CrSi targets used for their deposition. The silicon additions resulted in decrease of the average column diameter from ~100 to ~25 nm accompanied by hardness increase from ~14 to ~37 GPa.

---

Powłoki (Cr, Si)N osadzono na podłoża krzemowe techniką reaktywnego rozpylania magnetronowego tarcz Cr oraz CrSi zawierających do 30 at. % Si z wykorzystaniem podłoży wygrzewanych do 600°C. Obserwacje mikrostruktury prowadzono z wykorzystaniem mikroskopu TECNAI FEG (200 kV) wyposażonego w przystawkę EDS. Cienkie folie zostały wycięte w sposób prezentujący powłoki w przekroju poprzecznym i równoległym do powierzchni. Przeprowadzone badania wykazały, że powłoki o grubości <2 um charakteryzuje budowa kolumnowa. Analiza ich dyfrakcji elektronowych wskazała na wyłączną obecność fazy typu CrN. Obserwacje wysoko- rozdzielcze potwierdziły duże zdefektowanie krystalitów, ale wykluczyły obecność fazy amorficznej w ich granicach. Analizy składu chemicznego wykazały, że stosunek krzemu do chromu w powłokach jest zawyżony od 1 do 3 at. % Si względem tego w tarczach, z których były osadzane. Wprowadzanie krzemu spowodowało obniżenie średniej szerokości kolumn ze ~100 do ~20 nm oraz równoczesny wzrost twardości z ~14 do ~37 GPa.