专利名称：一种氧化铬涂层制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及氧化铬涂层，具体地说是一种氧化铬涂层制备工艺。
背景技术：
在所有矿物和氧化物中，Cr2O3是最硬的材料之一。它具有极好的化学稳定性、抗高温性能、摩擦系数小等特点，可作为微电子器件的阻挡层和磨损器件的保护层。另外，Cr2O3薄膜太阳能吸收性能高和热发散性差，作为太阳能吸收器的选择吸收层，也已经受到人们的广泛关注。以前研究结果表明，Cr2O3薄膜耐磨性能好和摩擦系数低，但硬度低于Cr2O3块体硬度值。
最近几年，哥伦布(美国俄亥俄州首府)的布山(Bhushan)等人在文献[磁记录用氧化铬薄膜的摩擦性能研究(Tribological studies ofchromium oxide films formagnetic recording applications)，Bharat Bhushan，Gerad S.A.M.Theunissen，Xiaodong Li，固体薄膜(Thin Solid Films 311(1997)67～80)]中记载了利用溅射法制备出200nm厚的缺氧Cr2O3薄膜，其硬度值最高为29.5GPa。
瑞士(欧洲中部国家)的洪斯(P.Hones)等人在文献[溅射工艺对Cr2O3薄膜的力学性能研究(Influence of depositon parameters on mechanical properties ofsputter-deposited Cr2O3thin films)，P.Hones and F.Levy，材料研究学报(J.Mater.Res.，Vol.14.NO.9，Sep 19993623～3629)]中记载了利用溅射法制备出2μm左右厚的Cr2O3薄膜，其硬度值最高达到32GPa。
目前，Cr2O3薄膜制备方法主要是溅射法和化学气相沉积法(CVD)。虽然这两种方法均可制备出Cr2O3薄膜，但每种方法都有其不足之处。溅射法多用靶材Cr2O3，成本高，并且所得多为非晶缺氧薄膜，热处理后，部分Cr2O3膜晶化，影响薄膜的性能，溅射法本身也有其不足之处(1)在靶表面发生凹状侵蚀环，使整个靶的利用量仅达50％；(2)靶表面易变形开裂，因此，运行功率不能太高，使溅射速率受到限制。CVD是利用气相物质的热分解、热合成或化学传输等过程，在固体表面上生成固态沉积层的过程，利用CVD法，可通过分解Cr(C5H7O2)3和Cr(CO)6，获得了光滑平整的Cr2O3薄膜，但其也有不足之处需要在高温下反应，因而对于可用来镀膜的基体材料种类加以限制，基体难于进行局部沉积，以及参加反应的源和反应后的余气都有一定毒性等，必须小心防护和操作。目前，未见采用电弧离子镀法制备氧化铬涂层的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济、无公害、沉积速度快，可在低温下沉积且致密度高的氧化铬制备工艺。
为了实现上述目的，本发明技术方案是采用电弧离子镀法，以纯铬作为阴极靶，阳极和真空室相连，阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极，所述直流电源的电流为10～100A，工作电压为15～40V，用氧气作反应气体，用Ar气作保护气体，具体步骤如下1)抛光、清洗，基体经金相砂纸研磨抛光，在丙酮或酒精中用超声清洗预处理；2)装炉后将真空室抽至真空度为2.0×10-2～6.0×10-3Pa，通入Ar气，压力为5×10-2～8×10-2Pa，镀膜前加-700V～-1000V的高偏压；3)利用辉光放电轰击基体表面2～5min，弧电流Ia30～60A，弧电压15～40V；4)对基体轰击完后，通入氧气，氧流量60～270sccm，工作压强4.0～8.0×10-1Pa，脉冲偏压Vp0～-500V，占空比为0～40％。
所述真空室抽真空后，将基体加热至100～200℃后，再通入Ar气；所述高偏压为直流偏压或脉冲偏压；所述基体与靶材间距为150～300mm；所述基体为铁基、镍基合金、硬质合金或陶瓷；所述涂层厚度可视应用要求而通过控制生长时间来实现。
本发明具有如下优点1.一弧多用。本发明所述阴极电弧源既可作为蒸发源和离化源，又可作为加热源和轰击源，实现一弧多用。
2.本发明能实现低温沉积，室温下既可沉积致密均匀薄膜。
3.本发明入射粒子能量高，膜层致密度高、强度和耐久性好。
4.本发明沉积速度快，成膜速度快，可镀厚膜。
5.本发明绕镀性好。从铬靶阴极直接产生等离子体，不用熔池，镀膜过程中靶材保持固体状态，因而方位任意，可实现多源联合镀覆，转动基板机构简单，并可实现公转或自转，所以可镀覆任何形状的基体，绕镀性好。
6.本发明所用设备简单，采用低电压电源工作，使用安全，反应镀膜时，气氛的控制也是简单的全压力控制。
7.本发明成本低。采用纯铬靶，Ar气作保护原料，O2作反应原料，其原料易得，且成本低。
8.本发明无污染。由于不采用毒性、腐蚀性和危险性的气体，所以不存在环境污染。
9.本发明应用范围广。氧化铬涂层可作为微电子器件的阻挡层和磨损器件的保护层。另外，Cr2O3薄膜太阳能吸收性能高和热发散性差，作为太阳能吸收器的选择吸收层。
图1为本发明实施例1中不同氧流量下沉积的Cr2O3薄膜的X射线衍射谱。
图2为本发明实施例2中不同脉冲偏压下沉积的Cr2O3薄膜的X射线衍射谱。
图3为本发明实施例3中不同弧电流下沉积的Cr2O3薄膜的X射线衍射谱。
具体实施例方式
本发明采用电弧离子镀法，制备了氧化铬涂层。该技术原理主要基于冷阴极真空放电理论，引弧电极在与阴极表面接触与离开的瞬间引燃电弧，一旦电弧被引燃，低压大电流电源将维持阴极和阳极之间弧光放电过程的进行，其电流一般为10～100安，工作电压为15-40V。这些辉点犹如很小的发射点，每个点的延续时间很短，约为几至几千微秒，在此时间结束后，电流就分布到阴极表面的其它点上建立起足够的发射条件，致使辉点附近的阴极材料大量地蒸发。
实施例1所用设备为MIP-8-800型离子镀膜机，用纯铬作为阴极靶，阳极和真空室相连，阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极，其电流为50A，电压为20V；基体尺寸为15mm×10mm×2mm，材质为18-8不锈钢，基体经金相砂纸研磨抛光，在丙酮中用超声波清洗15min，吹干后，放置于真空沉积室中的样品台上，基体与靶材的间距约为240mm，真空度达到8×10-3Pa时，先通入Ar气，压力为7×10-2Pa，镀膜前加-1000V的高偏压，所述高偏压为直流偏压，利用辉光放电轰击基体表面2min，弧电流Ia50A，弧电压20V，对基体轰击完后，通入氧气，只改变氧流量60～190sccm，工作压强6.0×10-1Pa，脉冲偏压为-300V，占空比为20％，沉积时间为30min，整个过程中均通入Ar气。
如图1所示，S代表基体，结果表明利用电弧离子镀法可成功制备出Cr2O3薄膜。低氧流量时，在Cr2O3薄膜中发现存在未完全反应的Cr，其含量随氧流量的增加而减小，氧流量对Cr2O3薄膜的择优取向有较大影响，沉积速率随氧流量的增加而缓慢减小，在FO2＝130sccm时，存在一明显转折点，超过130sccm后，沉积速率下降非常缓慢。
氧流量对薄膜的表面形貌有较大影响。低氧流量时，表面熔滴大且尺寸不均匀，数量多；氧流量较高时，表面熔滴小且均匀，数量少。
实施例2与实施例1不同之处是直流电源的电流为100A，电压为40V；基体尺寸为15mm×10mm×2mm，材质为18-8不锈钢，基体经金相砂纸研磨抛光，在酒精中用超声波清洗15min，吹干后，放置于真空沉积室中的样品台上，基体与靶材的间距约为150mm，装炉后将真空室抽至真空度为6.0×10-3Pa，通入Ar气，压力为5×10-2Pa，镀膜前加-700V的高偏压，所述高偏压为脉冲偏压；利用辉光放电轰击基体表面5min，弧电流Ia50A，弧电压20V；对基体轰击完后，通入氧气，氧流量130sccm，工作压强4.0×10-1Pa，只改变脉冲偏压0～-400V，占空比为20％，沉积时间为30min。
如图2所示，S代表基体，结果表明偏压对薄膜的择优取向有较大的影响。在偏压为-100V时，Cr2O3呈现出(006)晶面择优取向；随着偏压的增加，(006)晶面X射线衍射峰消失，(300)晶面X射线衍射峰强度增加且为主要择优取向。Cr2O3薄膜的沉积速率随偏压增加而增大，但当偏压超过-200V时，沉积速率反而下降。这是由于较高偏压下，离子轰击作用增强，溅射过程明显所致。无偏压时，薄膜表面大熔滴多而尺寸不均匀；加偏压后，熔滴明显减少；随着偏压的增大，轰击作用增强，薄膜的表面质量得到改善。偏压对Cr2O3薄膜的硬度影响明显随着偏压的增大，硬度值增加，在Vp＝-200V硬度值达到最大为36GPa。
实施例3与实施例1不同之处是直流电源的电流为75A，电压为30V；基体尺寸为15mm×10mm×2mm，材质为18-8不锈钢，基体经金相砂纸研磨抛光，在丙酮中用超声波清洗15min，吹干后，放置于真空沉积室中的样品台上，基体与靶材的间距约为280mm，装炉后将真空室抽至真空度为6.0×10-3Pa，将基体加热至150℃后通入Ar气，压力为6×10-2Pa，镀膜前加-800V的高偏压，所述高偏压为脉冲偏压；利用辉光放电轰击基体表面3min，只改变弧电流Ia30～60A，弧电压20～40V；对基体轰击完后，通入氧气，氧流量130sccm，工作压强8.0×10-1Pa，脉冲偏压为-300V，占空比为20％，沉积时间为30min。
如图3所示，S代表基体，结果表明弧电流对氧化铬涂层的组织结构和表面形貌有较大影响。在Ia＝30A时，出现了Cr2O3薄膜的(300)晶面X射线衍射峰的择优取向。随着弧电流的增大，(300)晶面X射线衍射峰的强度逐渐减小，而(104)、(110)晶面X射线衍射峰逐渐增强。随着电流的减小，膜层表面的熔滴明显减少，尺寸均匀，基本上无大颗粒，膜层致密且无孔洞。
权利要求
1.一种氧化铬涂层制备工艺，其特征在于采用电弧离子镀法，以纯铬作为阴极靶，阳极和真空室相连，阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极，所述直流电源的电流为10～100A，工作电压为15～40V，具体步骤如下1)抛光、清洗，基体经金相砂纸研磨抛光，在丙酮或酒精中用超声清洗预处理；2)装炉后将真空室抽至真空度为2.0×10-2～6.0×10-3pa，通入Ar气，压力为5×10-2～8×10-2Pa，镀膜前加-700V～-1000V的高偏压；3)利用辉光放电轰击基体表面2～5min，弧电流Ia30～60A，弧电压15～40V；4)对基体轰击完后，通入氧气，氧流量60～270sccm，工作压强4.0～8.0×10-1Pa，脉冲偏压Vp0～-500V，占空比为0～40％。
2.按照权利要求1所述氧化铬涂层制备工艺，其特征在于真空室抽真空后，将基体加热至100～200℃后，再通入Ar气。
3.按照权利要求1或2所述氧化铬涂层制备工艺，其特征在于高偏压为直流偏压或脉冲偏压。
4.按照权利要求1或2所述氧化铬涂层制备工艺，其特征在于基体与靶材间距为150～300mm。
5.按照权利要求1或2所述氧化铬涂层制备工艺，其特征在于基体为铁基、镍基合金、硬质合金或陶瓷。
全文摘要
本发明涉及一种氧化铬涂层制备工艺，采用电弧离子镀法，以纯铬作为阴极靶，阳极和真空室相连，阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极，所述直流电源的电流为10～100A，工作电压为15～40V，用氧气作反应气体，用Ar气作保护气体，镀膜前加－700V～－1000V的高偏压，利用辉光放电轰击基体表面2～5min，弧电流I
文档编号C23C14/38GK1506492SQ0214470
公开日2004年6月23日 申请日期2002年12月6日 优先权日2002年12月6日
发明者孙超, 纪爱玲, 闻立时, 王启民, 汪伟, 汪爱英, 郑静地, 肖金泉, 曹鸿涛, 柯培玲, 超 孙 申请人:中国科学院金属研究所