[發明專利]帶有Al過渡層的低摩擦系數SiC-Al薄膜材料的沉積方法

有效

• 申請號: 201310375272.5
• 申請日: 2013-08-27
• 公開（公告）號: CN103436842A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 鄭錦華
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/02
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司 41111
• 代理人: 陳大通

技術領域

本發明涉及一種SiC薄膜材料的制備方法，特別是涉及一種帶有Al過渡層的低摩擦系數SiC-Al薄膜材料的沉積方法。?

背景技術

SiC材料具有優良的耐腐蝕性、耐熱性、耐磨損和高的機械強度，它的硬度（H_v：3300）僅次于金剛石和C-BN材料，在1300～1800℃的高溫下合成的SiC材料，700℃時仍然能維持93%的硬度，并且不被氧化。它可以用于在惡劣環境下使用的微米傳感器、微納米機械（MEM及NEMS）以及作為保護涂層提高耐磨性和防腐蝕等。但是作為固體潤滑薄膜材料，不但要求保持SiC材料的優良特性，同時又必須具有較低的摩擦系數及與金屬基材有高的界面結合強度。

SiC薄膜的制備主要有CVD、PECVD、MBE和PVD等方法，其中CVD（化學氣相沉積）和PECVD法（等離子增強化學氣相沉積）需要1200℃以上的高溫，大大地限制了基材的使用范圍；PVD物理氣相沉積法可以在低溫下進行，其中RF射頻非平衡磁控濺射能夠獲得很高的沉積速率，從而得以廣泛的使用。

目前，現有PVD物理氣相沉積法沉積的SiC薄膜雖具有0.13左右的摩擦系數，但與金屬基材的結合強度很差，特別在循環載荷下，磨耗未達到基材前薄膜內發生破裂而脫落的情況經常發生，脫落是由于在界面上產生的疲勞剪切應力而引起。如果既能減小剪切應力又能降低摩擦系數是最理想的。為了提高薄膜材料的耐磨性，一般采用以下的方法，1）減小摩擦系數；2）增加薄膜自身的結合強度（如：提高薄膜硬度和彈性模量以及薄膜的斷裂強度）；3）改善界面的結合強度等。另外，摩擦系數的降低可以達到節能和減少機體發熱的目的。

通過原子摻雜能夠改變薄膜的結構，從而使薄膜的物理化學性質發生變化，例如薄膜硬度、彈性模量以及晶格常數和化學鍵能等。通過摻入合適的雜質原子，能夠有效地降低摩擦系數，改善薄膜的摩擦特性，一般的摻雜原子為軟金屬元素（例如Ag等）或具有自潤滑特性的元素（例如F等）。

SiC薄膜與金屬基材之間的結合強度差，主要是在薄膜沉積過程中，原子或離子對基材表面進行的轟擊作用，使基材溫度升高，而在冷卻過程中，由于基材與SiC薄膜的熱膨脹系數有較大的差異，致使在薄膜內產生較大的殘余應力，表現在界面部產生較大的剪切應力而使薄膜脫落或崩裂。為了改善薄膜與金屬基材之間的結合強度，一般采用中間過渡材料的方法，以緩解兩者之間的熱膨脹系數的差異，同時期望能夠在界面上形成化學或金屬鍵，提高界面處的粘合（或鍵合）強度，改善膜基結合力。

對于SiC薄膜材料的摻雜研究的報道不少，如在SiC薄膜中加入Mn、Co、Al等原子，其研究重點集中在半導體材料和發光材料方面的開發，以改變半導體材料的禁帶寬和提高致光發光材料的性能，即研究主要針對SiC薄膜導電性能改善和光磁電感應方面的研究。但是，把SiC薄膜材料用于固體潤滑材料的研究并不多見，這種耐磨材料在進一步降低其摩擦系數的基礎上，能夠制造成性能優良的固體潤滑薄膜材料用于精密機械零部件的保護和潤滑涂層。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：為了發揮SiC材料優良的耐腐蝕、耐磨損和高的機械硬度等方面的優勢，克服目前SiC作為固體潤滑薄膜材料存在的摩擦系數較大、與金屬基材界面結合強度較低的缺陷；本發明提供一種具有低摩擦系數、與金屬基材結合強度較高的帶有Al過渡層的低摩擦系數SiC-Al薄膜材料的沉積方法，即提供一種帶有Al過渡層的低摩擦系數SiC-Al薄膜材料的沉積方法。利用本發明技術方案，能夠制備出一種具有低摩擦系數（0.04～0.1）、并且與金屬基材具有較高界面結合強度的SiC-Al薄膜材料。

為了解決上述問題，本發明采用的技術方案是：

本發明提供一種帶有Al過渡層的低摩擦系數SiC-Al薄膜材料的沉積方法，所述沉積方法包括以下步驟：

A、首先調整物理氣相沉積設備中的SiC靶和Al靶與基材之間的距離，SiC靶與基材之間的距離為80mm，Al靶與基材之間的距離為380mm；然后在載物臺上放置相應的基材，利用與沉積設備相連的抽真空裝置，將沉積室內的真空壓力抽至5×10^-4Pa；

B、分別將SiC靶和Al靶的擋板置于靶與基材之間，打開Ar氣閥，將Ar氣導入沉積室，調整Ar氣流量至18sccm；然后打開RF射頻電源，分別對SiC靶和Al靶表面進行等離子清洗，去除SiC靶和Al靶表面的污染物和氧化層；

C、關閉SiC靶電源，同時把Al靶的擋板撤去，維持Ar氣流量18sccm，使Al靶對準基材，在基材上沉積Al中間過渡層；