Mechanical properties of PVD Al_1−xCr_xN thin films

Propriétés mécaniques des films minces PVD Al_1−xCr_xN

Institut Pprime, UPR 3346 CNRS, University of Poitiers, ENSMA, SP2MI, Bd Marie et Pierre Curie, BP 30179, 86962 Futuroscope Cedex, France
e-mail: phamhtrambk@yahoo.com

Received: 20 November 2010
Accepted: 17 March 2011

Abstract

Al_1−xCr_xN thin films have been sputter deposited using either ion-beam (IBS) or magnetron. The structure, mechanical properties and residual stress state have been investigated using X-Ray diffraction, curvature measurements and nano-indentation. The presence of a  ⟨200⟩  fiber texture associated with compressive global stresses was evidenced in the studied 0.6–0.85 Cr at.% range with the largest level for IBS. In-grain stresses were determined to be compressive for IBS while tension was found in the case of magnetron sputtering. The obtained stress-free lattice parameters a₀ revealed difference between the processes, IBS being more energetic. The in-grain residual stress values of IBS samples are twice as large as those obtained using curvature method; this might be due to  ⟨ 200 ⟩  texture effects and/or an over estimate of the elastic moduli. Hardness of the films was obtained in a range extending from 16 to 27 GPa correlated to residual stress level when compared to literature.

Résumé

Des films Al_1−xCr_xN ont été obtenus par pulvérisation en utilisant soit des faisceaux d’ions (IBS) soit du magnétron. La structure, les propriétés mécaniques et l’état de contraintes résiduelles ont été étudiés par diffraction X, mesure de courbure et nano-indentation. La présence d’une texture de fibre  ⟨200⟩  associée à des contraintes globales de compression a été observée dans la gamme étudiée de 0,6–0,85 %.at Cr., les niveaux les plus élevés étant obtenus par IBS. Les contraintes intra-granulaires ont été déterminées en compression pour l’IBS et en tension dans le cas de la pulvérisation magnétron. Les paramètres libres de contrainte associés a₀ révèlent une différence très nette entre ces deux procédés, l’IBS étant plus énergétique. Les contraintes intra-granulaires des échantillons sont deux fois plus élevées que les contraintes globales obtenues par la courbure; ceci pourrait être dû à des effets de texture et/ou à la sur estimation des modules élastiques. Les valeurs des duretés mesurées dans les films varient dans la gamme allant de 16 à 27 GPa et sont corrélées au niveau des contraintes résiduelles si l’on se réfère à la littérature.