同步偏压滞后时间调控TiN/CrN涂层——残余应力-1.5 GPa&H³/E²=0.213

点睛：

HiPIMS沉积TiN时，通过调节同步基底偏压滞后时间（0-150 μs），残余应力从DC偏压的-9.4 GPa降至-1.5 GPa（滞后50 μs），硬度保持25 GPa左右；滞后100 μs时H³/E²达0.213，腐蚀电流仅5.87 nA。CrN因电离度低，滞后时间影响较弱。

引言：

HiPIMS产生高密度等离子体，但连续直流偏压会导致薄膜内应力过高、附着力下降。同步脉冲偏压通过设定滞后时间，可选择性地加速HiPIMS放电不同阶段（金属离子富集期或气体离子富集期）的离子。然而，滞后时间对TiN，CrN的影响尚不清晰。本文系统研究滞后时间对TiN和CrN涂层微观结构、残余应力、力学及腐蚀性能的调控规律。

解析：

台湾国立中兴大学精密工程研究所的林等人采用HiPIMS技术，以“Effect of the lag time in synchronized substrate bias on HiPIMS deposition of TiN and CrN coatings”为题发表在《Surface & Coatings Technology》上，其工艺参数如下：

1）基体：Si(100)和304不锈钢；2）靶材：Ti和Cr靶；3）工作气体：Ar+N₂，总压0.67 Pa，N₂/Ar流量比TiN为2/32，CrN为15/30；4）电源参数：HiPIMS频率150 Hz，脉宽TiN为150 μs、CrN为120 μs，平均功率1.5 kW，峰值功率密度TiN为0.74 kW/cm²、CrN为1.05 kW/cm²；基底偏压-60 V，同步偏压滞后时间TiN为0、50、100、150 μs，CrN为0、40、80、120 μs；5）基片温度：<80 ℃；6）靶基距：185 mm；7）膜厚：TiN约300 nm，CrN约800 nm；

图1 TiN和CrN沉积过程中的时间平均OES光谱

图1A和1B显示，TiN等离子体以离子峰（Ti⁺、Ar⁺）为主，而CrN等离子体以中性峰（Cr、Ar）为主，表明TiN电离度远高于CrN。图1C和1D对比了不同滞后时间下的归一化离子发射强度。对于TiN，滞后50和100 μs时Ti⁺强度高于0 μs，而Ar⁺强度在滞后100和150 μs时增加，说明滞后时间可选择性增强金属离子或气体离子的贡献。对于CrN，Cr⁺和Ar⁺强度随滞后时间增加而下降，因其余辉衰减快。这一差异解释了后续性能调控中TiN更敏感的原因。

图2 残余应力和划痕临界载荷随滞后时间的变化

图2A显示：无偏压TiN呈拉伸应力为4.2 GPa；DC偏压下压缩应力高达-9.4 GPa；同步偏压下，滞后0 μs时为-3.3 GPa，滞后50 μs时松弛至-1.5 GPa，滞后100和150 μs时分别增至-4.7和-5.9 GPa。划痕临界载荷Lc2与应力负相关：DC偏压下仅9.8 N，滞后50 μs时达MAX值18.0 N。图2B显示CrN的应力变化较小为-1.3至-2.4 GPa，Lc2也仅从1.3 N（DC）升至3.7 N（滞后120 μs）。这证明TiN可通过滞后时间精细调控应力-性能平衡。

图3 硬度和弹性模量随滞后时间的变化

图3A：无偏压TiN硬度约14 GPa；DC偏压下升至27 GPa；同步偏压下硬度在23-26 GPa之间，滞后100 μs时达25.7 GPa。弹性模量变化较小（260-280 GPa）。H³/E²比值：无偏压下0.047，DC偏压下0.253，同步偏压下滞后100 μs时达0.213。图3B中CrN硬度从无偏压11.6 GPa升至DC偏压22.4 GPa，同步偏压下约19-21 GPa，滞后时间影响较小。这表明TiN可通过滞后时间优化力学性能与应力的平衡。

结论与延伸：

1. 通过调节同步偏压滞后时间，TiN涂层残余应力从-9.4 GPa（DC偏压）降至-1.5 GPa（滞后50 μs），硬度保持25 GPa左右，划痕临界载荷从9.8 N提升至18.0 N。

2. 滞后50 μs获得低应力和高附着力；滞后100 μs获得高H³/E²（0.213）和耐腐蚀性（腐蚀电流5.87 nA），说明不同性能需不同的离子轰击窗口。

3. TiN等离子体以离子为主，滞后时间可有效分离金属离子和气体离子贡献；CrN等离子体以中性为主，滞后时间调控效果有限。同步偏压滞后时间策略更适用于高电离度的材料体系。

DOI:10.1016/j.surfcoat.2026.133505.