[發明專利]一種ECR離子刻蝕加工表面織構并精確控制織構尺寸方法

有效

• 申請號: 201711058082.5
• 申請日: 2017-11-01
• 公開（公告）號: CN107857234B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 陳思成;楊雷;刁東風;郭美玲
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;C23C14/06;B82Y40/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種ECR離子刻蝕加工表面織構并精確控制織構尺寸方法，利用ECR等離子體加工系統，通過調節掩模版的孔徑尺寸及離子刻蝕時間，可實現表面織構的參數調控。利用共聚焦顯微鏡對織構形貌進行表征可發現，織構直徑為10～120μm可調，且深度與刻蝕時間成正相關，刻蝕速率為1nm/min，加工后樣品的摩擦磨損性能獲得大幅度提高，便于實現表面織構的加工并精確控制織構尺寸。

技術領域

本發明屬于表面織構制備領域，具體涉及一種ECR離子刻蝕加工表面織構并精確控制織構尺寸方法。

背景技術

隨著納米科技的發展，磁記錄存儲系統和微機電系統以及航空航天領域等都對降低接觸面的摩擦系數和提高磨損壽命提出了越來越高的要求。表面的織構化已經作為一種有效的方式應用于硬盤和軸承等領域

通過在軸承表面加工織構可以有效的提高軸承的工作壽命并降低摩擦系數。同時很多仿生學研究發現，表面織構的存在可以有效的改變材料表面的親疏水特性及光吸收特性等。織構尺寸對這些性能起到了十分關鍵的作用，不同織構的深度及形狀大小對摩擦系數及磨損壽命都有十分顯著的影響。綜上，提出一種有效加工并控制織構尺寸的技術具有十分重要的應用價值和意義。

現有的加工表面織構的辦法主要有機械加工，激光加工，和離子刻蝕等方法。其中機械加工精度很低，且織構尺寸較大，不能夠滿足越來越小的織構尺寸需求。而激光加工方法加工精度約100～500μm，但存在損傷表面及熔融物的表面堆積問題。熔融物的堆積導致了織構的深度較難控制且表面化學性質可能會發生變化。相比之下，離子刻蝕加工精度較高，無表面損傷，無加工升溫的影響，因此在織構的加工方面存在巨大的潛力。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種ECR離子刻蝕加工表面織構并精確控制織構尺寸方法，利用電子回旋共振(Electron CyclotronResonance，ECR)等離子體加工系統對已沉積的碳膜進行表面織構的加工，制備的織構化碳膜有較低的摩擦系數及較長的磨損壽命。

本發明采用以下技術方案：

一種ECR離子刻蝕加工表面織構并精確控制織構尺寸方法，利用ECR等離子體加工系統對已沉積的碳膜進行表面織構加工，通過調節掩模版的孔徑尺寸及離子刻蝕時間，實現表面織構的參數調控；利用共聚焦顯微鏡對織構形貌進行表征，確定織構的直徑為10～120μm，以1nm/min的刻蝕速率制備摩擦系數在0.18～0.06，磨損壽命為10000圈以上的織構化碳膜。

進一步的，包括以下步驟：

S1、將樣品表面清洗后置于真空等離子腔體中，通入氬氣，施加磁線圈電流及微波使腔體中的氬原子離化，產生等離子體，將等離子體濺射碳靶，并將碳原子沉積為碳膜；

S2、在碳膜上施加基片負偏壓，等離子體腔體中的氬離子經加速后透過掩模版轟擊樣品表面，氬離子刻蝕碳膜表面從而實現樣品的離子刻蝕；

S3、利用共聚焦顯微鏡對不同織構尺寸下的樣品表面進行表征，確定刻蝕深度與刻蝕時間成正比關系，通過改變刻蝕的時間對織構的深度進行控制。

進一步的，步驟S1具體為：

S1.1、對等離子體腔體抽真空，當真空度達到2～4×10-4Pa后將氬氣通入到等離子體腔體中，使等離子體腔體內的氣壓到達2～6×10-2Pa；

S1.2、通過施加350～450A的磁線圈電流及100～300W的微波使腔體中的氬原子離化，初始電子在磁場和微波的耦合作用下做回旋運動，得到氬等離子體；

S1.3、在碳靶加偏壓后氬等離子體中氬原子轟擊碳靶表面濺射出碳原子，在基片施加偏壓后氬等離子體中電子輔助碳原子進行沉積，形成60～80nm厚度碳膜。