专利名称：一种多元金属掺杂无氢类金刚石碳膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及材料的表面处理，具体地说是一种多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的沉积制备方法。
背景技术：
类金刚石薄膜作为一种新型的润滑薄膜材料，具有硬度高、摩擦系数小、耐磨寿命长等优异的性能，在苛刻环境中用作防护薄膜以及在精密器械、微机电系统、空间环境部件等相关领域用作润滑薄膜材料显示了巨大的应用前景。但由于同时它具有高的内应力、热稳定性差、环境依赖性强等缺陷，在实际应用中受到了很大的局限。采用现代技术制备的类金刚石薄膜主要分为含氢类和不含氢类两种，但是相对无氢类金刚石薄膜而言，含氢类金刚石薄膜本身硬度比较低，内应力相对也较低，在大气条件下耐磨损性能也相对较差，因此 对于无氢类金刚石的制备受到广泛关注。传统类金刚石制备手段所制备的薄膜存在不够致密、表面质量差等问题。作为制备类金刚石薄膜的先进技术之一，离子束辅助沉积技术在气相沉积的同时，进行离子束轰击混合，能够有效改善薄膜性能，如提高类金刚石膜的粘结强度。同时，不同金属掺杂能够使得类金刚石薄膜的特性得到很好的改善，同时保留其诸多的优点。如钥掺杂类金刚石能够有效降低其内应力并且在干燥空气或者真空中能够表现出优异的摩擦学性能，但是其潮湿环境中的摩擦学性能有所下降。钨掺杂类金刚石薄膜能够大大提高DLC薄膜的硬度并降低其内应力，但是同时使得其摩擦系数有所提高。因此具有多种优异特性的金属掺杂类金刚石薄膜的制备显得尤为重要。本发明利用离子束辅助沉积技术进行双靶溅射沉积，所采用金属靶为镶嵌金属靶，保证了多种金属同时均匀掺杂在类金刚石薄膜中，克服了现有技术制备薄膜时膜层硬度低，膜基结合力差，表面粗糙度高等缺点。同时通过不同参数的调节保证了制备的薄膜具有不同金属掺杂时的优良特性，并且保留了原有薄膜的诸多优点。所制备的类金刚石薄膜表面致密度高，粗糙度低，膜层质量较好；薄膜的沉积温度低，避免了在沉积过程中由于温度过高导致类金刚石薄膜石墨化，具有良好的工艺可控性。
发明内容
本发明的目的是克服现有类金刚石薄膜技术存在的缺点和不足，提供一种多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的制备方法。它利用离子束辅助沉积技术，使用镶嵌金属靶和石墨靶，在辅助源的辅助轰击作用下通过离子束溅射沉积制备多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜，不但保持了类金刚石薄膜的高硬度和低摩擦系数的特点，又大大提高了耐磨损性能和热稳定性，降低了薄膜的内应力，解决了类金刚石薄膜内应力高、膜基结合力差和热稳定性差的问题，同时制备的薄膜具有单一金属掺杂所不具备的优良综合特性，可以广泛应用于娃和各种金属材料的表面处理中。为实现上述目的，本发明提出一种多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的沉积制备方法，，其特征在于采用多元金属镶嵌靶，该镶嵌靶在溅射区3内，使用镶嵌块2均匀镶嵌于基础靶材I上构成，该方法依次包括以下步骤a、根据需求准备不同组成的金属镶嵌靶以及高纯度石墨靶，并安装在旋转水冷靶台上；b、将待处理表面进行洁净处理后固定于设备真空室的样品台上；C、将真空室抽真空至本底真空，持续通入反应气体，气体通入过程中真空室气压保持稳定在一定范围；d、开启工件转盘，开启离子源和辅助源，溅射清除靶材及待处理表面污染物后开始沉积多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜；e、关闭工件转盘，等待温度充分降低之后取出样品。
所述镶嵌块或和基础靶材均由金属粉末压制而成，材料为钨(W)、钥(Mo)、铁(Fe)、铬(Cr)、钛(Ti)、银(Ag)、铜(Cu)、错(Zr)、铝(Al)中的任何一种金属。所述镶嵌块或和基础靶材均由金属粉末压制而成，材料为钨(W)、钥(Mo)、铁(Fe)、铬(Cr)、钛(Ti)、银(Ag)、铜(Cu)、错(Zr)、铝(Al)中的任何一种金属。所述镶嵌靶由镶嵌块镶嵌于基础靶材构成，靶材溅射区域内，镶嵌块均匀分布于基础靶材上，溅射面积相等，镶嵌块可以是一种或多种镶嵌块均匀分布在基础靶材镶嵌区。所述石墨靶为纯度大于99. 97%的高纯度石墨靶。所述待处理表面洁净处理过程包括对表面进行抛光处理、利用去离子水超声波清洗干净和烘干处理所述本底真空为2X10_4Pa，反应气体可以为氩气(Ar)、氦气(He)、氖气(Ne)、氪气(Kr)中的任何一种气体或几种气体的混合气体，持续通入气体过程中，真空室压强范围为
I.2Χ1(Γ2 I. 5 X KT2Pa 之间。所述溅射离子源为Kaufman型离子源，屏极电压调整范围为2. O 3. 5KV，离子束流20 100mA，工作时间为60min 180min，沉积过程中溅射源离子束对双靶同时进行溅射沉积。所述离子源溅射沉积过程中辅助源辅助轰击进行薄膜制备，辅助源为Kaufman型离子源，辅助源电压调节范围为O. 2 O. 8KV，束流密度为20 IOOmA所述充分冷却即温度接近室温。本发明的金属掺杂类金刚石薄膜具有较高的薄膜硬度、膜基结合力、弹性模量、抗磨性能、热稳定性能等性能。工艺可操作性强，重复性好，薄膜性能可选择性强，可适用于硅和各类金属工件表面的耐磨损处理。
图I为多元镶嵌金属靶示意图。图中I为基础靶材，2为镶嵌块，3为溅射区边界。
具体实施例方式为了更好地理解本发明，通过以下具体实施例进行说明。实施例I :I、采用钨钥镶嵌靶(钨作基础靶材，镶嵌块材料为钥);
2、将不锈钢片超声清洗干净，烘干后，固定在离子束辅助沉积镀膜设备真空室内的工件架上并抽真空，预抽真空至2. OX 10_4Pa ；3、接通溅射离子源与辅助源气源，将氩气通入真空室，保持气压低于I. 4X10_2Pa，溅射源采用电压2. 7KV，电流IOOmA的离子束流对靶材进行轰击；辅助源采用电压O. 2KV，束流IOOmA对样品进行轰击清洗与表面活化；轰击时间为lOmin。4、溅射源用电压2. 7KV，离子束流75mA的离子束流轰击石墨靶；电压2. 2KV，束流25mA的离子束流轰击钨钥镶 嵌靶，辅助源采用电压O. 2KV，束流20mA在工件表面沉积钨钥掺杂无氢类金刚石薄膜，沉积时间为120min。5、沉积结束，关闭离子束辅助沉积镀膜设备，并保持真空待样品冷却，样品台温度低于50°C时取出样品，在不锈钢片上得到掺钨类金刚石薄膜。所制备的膜层厚度为950nm，钨含量为3. 08%，钥含量为5.02%，内应力为O. 18GP，膜基结合力为70N，表面平整(表面起伏小于30nm)，纳米硬度为16. 8GPa，在大气环境下与GCrl5钢对偶对摩的平均摩擦系数为O. 20，薄膜磨损率为I. 68 X 10_6mm3/Nm。同时薄膜在潮湿大气环境中具有良好的抗锈蚀性能。实施例2:I、采用钛铬镶嵌靶(钛作基础靶材，镶嵌块材料为铬)；2、将高速钢模具片超声清洗干净，烘干后，固定在离子束辅助沉积镀膜设备真空室内的工件架上并抽真空，预抽真空至2. 0X10_4Pa ；3、接通溅射离子源与辅助源气源，将氩气通入真空室，保持气压低于1.5 X 10_2Pa，溅射源采用电压2. 7KV，电流IOOmA的离子束流对靶材进行轰击；辅助源采用电压O. 2KV束流IOOmA对样品进行轰击清洗与表面活化；轰击时间为lOmin。3、溅射源用电压2. 5KV，离子束流80mA的离子束流轰击石墨靶；电压2. 2KV，束流50mA的离子束流轰击钨钥镶嵌靶，辅助源采用电压O. 4KV，束流20mA在工件表面沉积钨钥掺杂无氢类金刚石薄膜，沉积时间为150min。4、沉积结束，关闭离子束辅助沉积镀膜设备，并保持真空待样品冷却，样品台温度低于50°C时取出样品，在不锈钢片上得到掺钨类金刚石薄膜。所制备的膜层厚度约为llOOnm，钛含量为6. 25%，铬含量为6.47%，内应力为
O.18GP，膜基结合力为86N，表面平整(表面起伏小于30nm)，纳米硬度为21.6GPa，在大气环境下与GCrl5钢对偶对摩的平均摩擦系数为O. 19，薄膜磨损率为O. 94X 1(Γ6πιπι3/Νπι。
权利要求
1.一种多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的沉积制备方法，，其特征在于采用多元金属镶嵌靶，该镶嵌靶在溅射区3内，使用镶嵌块2均匀镶嵌于基础靶材I上构成，该方法依次包括以下步骤 a、根据需求准备不同组成的金属镶嵌靶以及高纯度石墨靶，并安装在旋转水冷靶台上； b、将待处理表面进行洁净处理后固定于设备真空室的样品台上； C、将真空室抽真空至本底真空，持续通入反应气体,气体通入过程中真空室气压保持稳定在一定范围； d、开启工件转盘，开启离子源和辅助源，溅射清除靶材及待处理表面污染物后开始沉积多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜； e、关闭工件转盘，等待温度充分降低之后取出样品。
2.根据权利要求I所述的多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于所述镶嵌块或和基础靶材均由金属粉末压制而成，材料为钨(W)、钥(Mo)、铁(Fe)、铬(Cr)、钛(Ti)、银(Ag)、铜(Cu)、锆(Zr)、铝(Al)中的任何一种金属。
3.根据权利要求I所述的多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于所述镶嵌靶由镶嵌块镶嵌于基础靶材构成，靶材溅射区域内，镶嵌块均匀分布于基础靶材上 且两种材料溅射面积相等，镶嵌块可以是一种或多种镶嵌块均匀分布在基础靶材镶嵌区。
4.根据权利要求I所述的多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于所述石墨靶为纯度大于99. 97%的高纯度石墨靶。
5.根据权利要求I所述的多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于所述待处理表面洁净处理过程包括对表面进行抛光处理、利用去离子水超声波清洗干净和烘干处理。
6.根据权利要求I所述的多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于所述本底真空为2X10_4Pa，反应气体可以为氩气(Ar)、氦气(He)、氖气(Ne)、氪气(Kr)中的任何一种气体或几种气体的混合气体，持续通入气体过程中，真空室压强范围为I.2Χ1(Γ2 I. 5 X KT2Pa 之间。
7.根据权利要求I所述的多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于所述溅射离子源为Kaufman型离子源，屏极电压调整范围为2. O 3. 5KV，离子束流20 100mA，工作时间为60min 180min，沉积过程中溅射源离子束对双靶同时进行溅射沉积。
8.根据权利要求I所述的多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于所述离子源溅射沉积过程中辅助源辅助轰击进行薄膜制备，辅助源为Kaufman型离子源，辅助源电压调节范围为O. 2 O. 8KV，束流密度为20 IOOmA。
9.根据权利要求I所述的多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于所述充分冷却即温度接近室温。
全文摘要
本发明公开了一种多元金属掺杂的无氢类金刚石碳膜的制备技术。利用离子束辅助沉积技术，采用多元镶嵌金属靶(溅射区3内镶嵌块2镶嵌于基础靶材1上构成)与石墨靶进行双靶溅射，在工件表面沉积制备多元金属掺杂类金刚石薄膜。其具体步骤包括准备镶嵌靶、将工件表面离子清洁和活化、沉积制备多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜。与现有技术相比，本发明方法所制备的薄膜具有较高的硬度、膜基结合力、弹性模量、抗磨性能和热稳定性能，同时可对掺杂组分进行调整，能够满足湿度变化等特定环境下精密仪器传动部件精度的要求，提高其可靠性。适用于硅和各类金属工件的表面处理。
文档编号C23C14/34GK102965619SQ20121051990
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者岳 文, 王松, 付志强, 王成彪, 于翔, 彭志坚 申请人:中国地质大学(北京)