[發明專利]一種金屬摻雜無氫類金剛石碳膜的制備方法

無效

• 申請號: 201210519829.3
• 申請日: 2012-12-07
• 公開（公告）號: CN102965618A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 岳文;王松;付志強;王成彪;于翔;彭志堅;龐天舒
• 申請（專利權）人: 中國地質大學(北京)
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/34
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及材料的表面處理，具體地說是一種金屬摻雜無氫類金剛石薄膜的沉積制備方法。

背景技術

類金剛石薄膜(DLC)由于其極高的硬度、低的熱膨脹系數以及低的摩擦系數等優良特性而備受青睞。但是高的內應力、相對較差的膜基結合力和熱穩定性等嚴重限制了DLC的廣泛引用。在材料表面沉積低摩擦系數、高結合強度的類金剛石薄膜一直是鍍膜領域所要達到的目的，但是這個過程一直受到內應力困擾，較高的內應力極易導致薄膜在使用過程中從基體剝落，甚至在制備過程中從基底表面剝落，限制了薄膜的應用。

金屬摻雜類金剛石薄膜由于具有比類金剛石薄膜低的內應力，同時能夠大大提高薄膜的韌性。通常情況下由于摻金屬類金剛石薄膜一般形成金屬碳化物，因此類金剛石薄膜的硬度也保持在較高的范圍。如摻鎢類金剛石碳膜中鎢元素會和碳形成W-C鍵，會改善薄膜的結合力，提高薄膜的熱穩定性等性能。

金屬摻雜無氫類金剛石薄膜由于具有比類金剛石薄膜低的內應力，更好的熱穩定性以及更好的膜基結合力，同時也保持了類金剛石薄膜高硬度、低摩擦系數的性能優點，適用于精密工件耐磨損表面處理。沉積金屬摻雜含氫類金剛石薄膜相對容易實現，但是含氫類金剛石薄膜本身硬度比較低，內應力相對也較低，在大氣條件下耐磨損性能也相對較差。同時，傳統制備手段所制備的薄膜存在不夠致密、表面質量差等問題。因此本發明采用離子束輔助沉積技術制備金屬摻雜類金剛石薄膜，克服了現有技術制備薄膜時膜層硬度低，膜基結合力差，表面粗糙度高等缺點。所制備的類金剛石薄膜表面致密度高，粗糙度低，膜層質量較好；薄膜的沉積溫度低，避免了在沉積過程中由于溫度過高導致類金剛石薄膜石墨化的問題，具有良好的工藝可控性。

發明內容

本發明的目的是克服現有類金剛石薄膜技術存在的缺點和不足，提供一種金屬摻雜無氫類金剛石薄膜的制備方法。它利用離子束輔助沉積技術，使用高純度金屬靶和石墨靶，在輔助源的輔助轟擊作用下濺射靶材沉積制備金屬摻雜無氫類金剛石薄膜，不但保持了類金剛石薄膜的高硬度和低摩擦系數的特點，又大大提高了耐磨損性能和熱穩定性，降低了薄膜的內應力，解決了類金剛石薄膜內應力高、膜基結合力差和熱穩定性差的問題，可以廣泛應用于硅和各種金屬材料的表面處理中。

實現本發明的技術方案是：一種金屬摻雜無氫類金剛石薄膜的沉積制備方法，其特征在于包括下列步驟：

a.將工件利用去離子水超聲波清洗干凈烘干后，固定于離子束輔助沉積鍍膜設備真空室內的工件轉盤上，并將真空室抽真空；

b.將氬氣通入真空室，并保持真空度的穩定，開啟工件轉盤，開啟離子源和輔助源分別將工件及靶材表面清洗和活化；

c.氣源持續供氣，保持真空度穩定，開啟離子源與輔助源在工件表面沉積制備摻鎢無氫類金剛石薄膜；

d.關閉工件轉盤，等待工作臺溫度充分降低后取出工件。

所述真空室的真空度優于2×10^-4Pa；

所述真空室在持續通入氬氣過程中，真空度穩定在1.2×10^-2～1.5×10^-2Pa；

所述離子源工作電壓為2.0～3.5KV，離子束流為20～100mA，工作時間為60min～180min；

所述靶材為純度大于99.97％的高純度金屬靶與高純度石墨靶進行雙靶濺射；

所述金屬靶材料為鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋯(Zr)中的任何一種；

所述離子源濺射沉積過程中輔助源輔助轟擊進行薄膜制備，輔助源電壓為200V～800V，束流密度為20～100mA；

所述工作臺溫度降低至不高于50℃方能取出工件。

本發明的金屬摻雜類金剛石薄膜具有較高的薄膜硬度、膜基結合力、彈性模量、抗磨性能和熱穩定性能。工藝可操作性強，重復性好，可適用于硅和各類金屬工件表面的耐磨損處理。

具體實施方式：

為了更好地理解本發明，通過以下具體實施例進行說明。

實施例1：

1、將不銹鋼片超聲清洗干凈，烘干后，固定在離子束輔助沉積鍍膜設備真空室內的工件架上并抽真空，預抽真空至2.0×10^-4Pa；

2、接通濺射離子源與輔助源氣源，將氬氣通入真空室，保持氣壓低于1.3×10^-2Pa，采用電壓2.7KV，電流100mA的離子束流對靶材進行轟擊；采用電壓0.2KV束流100mA對樣品進行轟擊清洗，轟擊時間為10min；