专利名称：高界面强度类金刚石薄膜材料的常温沉积设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种DLC类金刚石薄膜材料的沉积方法和设备，特别是涉及一种高界面结合强度多孔非连续表面类金刚石薄膜材料的常温沉积设备及其常温沉积方法。
背景技术：
类金刚石薄膜(Diamond-like Carbon Films，简称DLC薄膜)是一类硬度、光学、 电学、化学和摩擦学等特性都类似于金刚石的非晶碳膜。例如，它具有高硬度、抗摩擦、化学惰性、低介电常数、宽光学带隙、良好的生物相容性等特点。它可以应用于机械、电子、化学、 军事、航空航天等领域，具有广阔的应用前景。目前，制备DLC薄膜的方法主要包括物理气相沉积和化学气相沉积，例如离子束沉积、阴极弧沉积、溅射沉积和等离子体增强化学气相沉积等。虽然其中的大多数方法能沉积出质量较好的类金刚石薄膜，但是气相合成实验装置的复杂性和基底的高温都导致了这些方法具有一定的局限性，在一定程度上限制了 DLC类金刚石薄膜的实际应用。类金刚石(DLC)薄膜材料在低摩擦固体润滑耐磨材料中是最有代表性的一类材料，90年代国外已实现了产业化。但是为了拓宽其应用范围，需要进一步提高其界面强度， 如何能够进一步提高其界面强度是各国研究的技术重点。现已开发了多种中间过渡介质材料技术，如对于机械零件的复合表面处理DLC类金刚石薄膜构造有Si +DLC、浸碳+Cr + DLC、Cr/ff + DLC和原子注入氮化处理+DLC等。随着不断的技术开发和研究，其制造方法也不断地增多，例如PVD物理气相沉积法技术的改进，已可以生产无氢DLC类金刚石薄膜， 并成功地用于汽车发动机活塞环和连杆曲轴的制造。国内目前DLC类金刚石薄膜材料还处于研究阶段，并不具有产业化生产技术，但有不少单位也在积极地研究开发中，如北京科技大学、上海交大、广东有色金属研究院、胜利油田东营迪孚公司、吉林大学、北京天地金刚石公司等。目前，对于DLC类金刚石薄膜材料制造技术方面存在的关键问题是没有很好地解决界面强度问题，从而导致无法实际应用。据报道，最近北京科技大学通过涂硼予处理已解决了界面强度问题。其实硼化物、硅、金属碳化物、金属氮化物等作为中间过渡层都能够解决DLC类金刚石薄膜的界面问题，但是涂覆和沉积的两道工序将导致DLC类金刚石薄膜的高成本和制造设备的复杂化，同时容易产生过程污染，对复杂结构零部件(凹凸结构)的加工也有相当大的难度。关于DLC类金刚石薄膜材料制备方面的专利文献报道也有不少，例如1、申请号为200910066757. X、实用新型名称为“ 一种低温沉积折射率可变的类金刚石薄膜的方法” 的实用新型专利，该实用新型专利采用已有的真空室及工艺配置；在室温下，调节基底至有栅Kaufman离子源之间的距离；调节真空室的真空度达到2 X 10’a量级；选择CH4和H2作为先驱气体，按4 1的比例，输送到有栅Kaufman离子源中，沉积开始前，要先在基底上施加-20V的负偏压；沉积开始后，真空室的真空度保持在1 X IO-2Pa量级，控制有栅Kaufman 离子源的放电电流为120mA。离子束能量在100eV-600eV时，可在基底上得到折射率为1. 7-2. 3之间的类金刚石薄膜。2、申请号为CN200810103011. 7、实用新型名称为“一种低电压液相电沉积制备类金刚石薄膜的方法”的实用新型专利，该实用新型专利以氧化铟锡导电玻璃为阴极，钼片为阳极，甲酰胺为电解液，在常温条件下，通过在阴阳两电极之间施加3 30V的直流电压，可在氧化铟锡导电玻璃阴极上沉积出类金刚石薄膜。该方法具有设备简单、能耗低、沉积速率快及成膜均一性好等优点，易于实现工业化生产。3、申请号为 200810110529. 3、实用新型名称为“一种TiC/DLC多层薄膜的沉积方法”的实用新型专利， 该实用新型专利采用磁过滤钛电弧源沉积Ti层；采用脉冲石墨电弧源沉积DLC层；采用磁过滤钛电弧源和脉冲石墨电弧源共同沉积TiC层，通过调节脉冲石墨电弧源的脉冲频率来控制TiC层中的Ti含量。采用电弧离子镀技术沉积的TiC/DLC多层薄膜内应力小于类金刚石单层薄膜的内应力，同时保持了类金刚石薄膜高硬度和低摩擦系数的性能特点，沉积的TiC/DLC多层膜总厚度可以达到2 μ m,且具有优异的耐磨损性能。本
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种高界面结合强度多孔非连续表面类金刚石薄膜材料的常温沉积设备及其常温沉积方法。通过本实用新型技术方案能够解决DLC 类金刚石薄膜材料制造技术方面存在的关键难题即界面强度问题。利用本实用新型技术方案制备DLC类金刚石薄膜材料，能够很好地解决膜内高压缩残余应力问题，从而制备出具有高界面结合强度的多孔非连续表面类金刚石薄膜材料。为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案是本实用新型提供一种高界面强度类金刚石薄膜材料的常温沉积设备，含有沉积室，与沉积室连通有原料气进气管道和抽真空装置，在沉积室内底部设有与等离子发生源负极连接的阴极载物台，在沉积室内部上侧设有与等离子发生源正极连接的阳极，其中阳极与沉积室电连接，沉积室与地线连接，以及加热灯丝装置，所述阳极为复合阳极，该复合阳极包括一个平板阳极和一个高熔点金属丝线圈阳极，其中平板阳极位于高熔点金属丝线圈阳极上侧，平板阳极和高熔点金属丝线圈阳极均与等离子发生源阳极连接；所述等离子发生源为一个DC直流等离子发生源和一个交变等离子发生源，两等离子发生源的正极与沉积室外壳连接，两等离子发生源的阴极分别通过隔离开关与阴极连接。此处所述高熔点金属丝线圈的熔点不低于1800°C。在所述高熔点金属丝表面上，间隔一定的距离开设有带锐角的三角形槽口，该锐角的尖端部不低于平坦部，构成尖端放电点。所述高熔点金属丝线圈阳极为钨丝线圈阳极，或者为钼丝线圈阳极，或者为钽丝线圈阳极，或者其他熔点不低于1800°C的金属丝线圈阳极。所述加热灯丝装置包括高熔点金属丝线圈、用于加热的直流电源和接地开关，该高熔点金属丝线圈的两端分别与用于加热的直流电源的正负极连接，并且该高熔点金属丝线圈的电源线通过一个接地开关与沉积室外壳保持通断，同时在用于加热的直流电源的输出端上安装有隔断开关。所述交变等离子发生源为RF射频等离子发生源，或者为DC脉冲等离子发生源、或者为高频等离子发生源、或者为微波等离子发生源，或者其他交变等离子发生源。所述平板阳极与高熔点金属丝线圈阳极之间由陶瓷管绝缘，不直接导通，从而平板阳极与高熔点金属丝线圈阳极固定为一体；在沉积室的上侧还安装有一个用于复合阳极与阴极之间距离的升降器，通过调整升降器使复合阳极上下移动从而调整复合阳极与阴极之间的距离。关于复合阳极，在电极几何形状方面的改变仍然适用，例如圆柱形阳极与圆柱形钨丝线圈电极所构成的复合电极等。抽真空装置采用两级真空系统，主真空泵采用分子真空泵或扩散泵，次级泵采用旋片式真空泵。本实用新型通过对界面强度影响因素的详细分析，实用新型了一种能够解决类金刚石薄膜界面强度的方法。影响界面强度的主要因素有两个方面1)薄膜材料与基材的附着强度。这是由配对材料的性质所决定的，比如界面化学键的形成、原子的界面扩散、界面晶体外延生长等；2)由于材料的热膨胀系数的差异所引起的残余应力。通常DLC类金刚石薄膜材料的热膨胀系数(2. 7X ΙΟ"6/ (500K))与金属基材相比要小很多，DLC类金刚石薄膜材料内部将产生较大的压缩残余应力。在以前的研究中，已经知道了在常温下，DLC类金刚石薄膜材料与金属材料的结合强度很差，甚至完全不附着，但本实用新型在加入a-Si:H:C 过渡中间材料层以后，能较好地解决类金刚石薄膜与金属基材的结合强度问题；在本实用新型研究中发现影响DLC类金刚石薄膜界面强度的最主要原因是压缩残余应力。本实用新型立足于常温下沉积，以减小压缩残余应力的同时，加入与金属基材有较好附着强度的 a-Si:H:C过渡材料；但是在薄膜的沉积过程中，由于沉积原子和Y —热电子的轰击，仍然会产生局部表面高温，特别是对于大面积连续DLC薄膜，仍然会产生较大的压缩残余应力。因而，本实用新型采用的解决方法之一是将薄膜分割成微小单元，基材的收缩使每个微小单元面积所产生的压缩应力很小。本实用新型的关键技术在于沉积a-Si:H:C中间过渡层时， 利用尖端放电所产生的高能量，使a-Si:H:C中间过渡层在局部区域产生非沉积区，形成非连续的中间过渡层，进而产生非连续的DLC类金刚石薄膜层，能够有效地释放压缩残余应力，从而提高界面的结合强度。本实用新型的积极有益效果1、本实用新型技术方案中，常温沉积的高界面结合强度多孔表面复合DLC薄膜材料结构，很好地解决了膜内压缩残余应力的难题，通过本实用新型常温沉积设备系统中的复合阳极4的特殊结构，在DC直流等离子体放电的条件下，在基材表面形成不连续的多孔 a-Si :H:C薄膜层，在此基础上进一步形成多孔表面DLC薄膜，由此能够有效地释放由于热膨胀系数不一致所弓I起的压缩残余应力，从而提高了界面强度。2、在本实用新型的高界面强度类金刚石薄膜的沉积工艺过程中，实现了常温下沉积高界面强度DLC薄膜材料的目标；常温沉积能够保持原零部件的加工尺寸精度和形状精度，为精密机械零件的生产提供了条件；同时常温沉积能够拓宽基材的使用限制，能够用于低耐温材料表面的DLC薄膜沉积，也拓宽了 DLC薄膜材料的应用领域。3、本实用新型常温沉积设备系统的复合阳极4中，通过在钨丝线圈阳极4-2上加工的锐角三角形槽口，以此发生尖端放电效应，尖端放电效应的目的是为了在DLC薄膜表面形成多孔结构，而复合阳极4的可调间距结构，能够有效地调整DLC薄膜表面的微孔密度，使在不同的情况下，形成合适的孔隙率，而达到最佳的残余应力的释放效果。4、本实用新型常温沉积设备系统中所采用的DC直流等离子发生源8和RF射频等离子发生源9的组合方式，既能够在金属基材表面形成一定密度的微孔结构，同时也有利于形成结构致密的DLC薄膜层，从而大大提高了薄膜的耐磨性能。形成多孔结构时，使用DC 直流等离子发生源8，产生稳定的尖端放电效应；为了调整DLC薄膜结构和形成致密的薄膜层时，采用RF射频等离子发生源9，并且将钨丝线圈电极4-2转换为热灯丝，形成热丝辅助 CVD化学气相沉积过程，提高薄膜的沉积速度。5、本实用新型在DLC类金刚石薄膜的常温沉积方法中，以Si (CH3) 4为原料气， 沉积过程中既与DLC类金刚石薄膜有较好的附着强度，又与金属基材有较好的附着强度的 a-Si:H:C薄膜层，从而解决了 DLC类金刚石薄膜材料在常温下不与金属基材附着的问题； 同时利用DC直流等离子发生源而产生的尖端放电形成表面多孔结构，为形成多孔非连续表面的复合DLC类金刚石薄膜奠定了基础，有效地缓解了膜内压缩残余应力，由此提高了界面的结合强度。6、本实用新型在DLC类金刚石薄膜的常温沉积方法中，首先利用DC直流等离子发生源，把高熔点金属丝线圈阳极(如钨丝线圈阳极)作为主阳极，平面平板电极作为副阳极， 在a-Si H C薄膜表面，形成厚度较薄的过渡DLC类金刚石薄膜底层，其目的是1)连续形成 DLC类金刚石薄膜表面的多孔结构，2)为下一步交变等离子发生源的交变电场中(如RF射频法)形成DLC类金刚石薄膜打下基础，以形成相同结构成分的DLC类金刚石薄膜。另外， 利用传统的RF射频等离子沉积方法能够获得结构致密的DLC类金刚石薄膜结构的特点，在多孔表面DLC类金刚石薄膜底层形成的基础上，可以有效地通过原子扩散和原子侵入对已形成的过渡DLC类金刚石薄膜底层进行结构调整，并在此基础上继续形成结构致密的多孔表面DLC类金刚石薄膜，增加薄膜的耐磨性。7、本实用新型高界面结合强度多孔非连续表面类金刚石薄膜材料的常温沉积方法为DLC类金刚石薄膜材料的产业化创造了条件，为长期以来由于界面强度问题而不能实际应用提供了一种解决方法，该方法在Ti及Ti-6A1-4V、S45C、SUJ2、SKH51工具钢等基材表面上均取得了良好的效果。
图1本实用新型DC-RF复合阳极CVD化学气相沉积设备结构示意图；图2钨丝线圈阳极4-2结构简图；图3是图2的I部放大结构示意图；图中标号1为波纹管式升降器，2为接地开关，3为沉积室，4为复合阳极，4-1为平面平板阳极(平板阳极)，4-2为钨丝线圈阳极，5为基材，6为阴极载物台，7为隔断开关，8为 DC直流等离子发生源，9为RF射频等离子发生源，10为RF射频源阻抗匹配器，11为直流电源，12为绝缘套，13为原料气源系统，14为导线，15为抽真空装置，16为绝缘套(陶瓷管)，17 为三角锐角尖沟槽。
具体实施方式
以下实施例仅为了进一步说明本实用新型，并不限制本实用新型的内容。实施例一参见图1一图3，本实用新型常温沉积设备含有沉积室3，与沉积室3连通有原料气进气管道13和抽真空装置15。在沉积室3内底部设有阴极载物台6，基材5放置于阴极载物台6上，阴极载物台6与等离子发生源的负极连接。本实施例中，等离子发生源包括两部分，一部分是DC直流等离子发生源8，另一部分是交变等离子发生源9，例如采用RF射频等离子发生源。两等离子发生源的正极与沉积室3外壳连接，两离子发生源的阴极分别通过隔离开关7与阴极6连接。所述交变等离子发生源还可以为DC脉冲等离子发生源、或者为高频等离子发生源、或者为微波等离子发生源，以及其他交变等离子发生源。在沉积室3内部上侧设有复合阳极4，该复合阳极4包括一个平板阳极4-1和一个带三角锐角尖端沟槽17的钨丝线圈阳极4-2，以便形成强电场，其中平板阳极4-1位于钨丝线圈阳极4-2上侧，平板阳极4-1和钨丝线圈阳极4-2均与等离子发生源阳极连接。实际上，复合阳极4与沉积室3外壳电连接，沉积室3外壳与地线连接。在沉积室3的上侧还安装有一个用于调整复合阳极4与阴极6之间距离的升降器1，该升降器采用波纹管式升降器 1，通过调整升降器1使复合阳极4上下移动从而调整复合阳极4与阴极6之间的距离；所述平板阳极4-1与高熔点金属丝线圈阳极4-2之间由陶瓷管16绝缘，不直接导通。在交变电场沉积DLC薄膜材料时，所述钨丝线圈阳极4-2作为热灯丝提供高温电离场，而在阴极载物台6下没有基板5加热系统。可见钨丝线圈阳极4-2在本设备中起到两个作用，一是用来加热，利用热钨丝表面的高温(1800-M00°C )，产生高密度的等离子体， 增加薄膜的沉积速度。另外是利用钨丝线圈电极上三角锐角尖端的强电场，形成局部尖端放电的高密度电流，在底层DLC类金刚石薄膜表面形成一定密度的孔穴，孔穴密度和直径可以通过调整电极间距和电源输入功率进行调整。具体结构是，钨丝线圈阳极4-2的两端分别与一个用于加热的直流电源11的两端连接，钨丝线圈阳极4-2的两端导线14与沉积室3之间通过绝缘套12固定在一起。并且该钨丝线圈阳极4-2的电源线通过一个接地开关2与沉积室外壳3通断，所述用于加热的直流电源11的输出端上安装有隔断开关7。该接地开关2用于选择使钨丝线圈阳极4-2与直流电源11两端连通，或者与等离子发生源的正极(即沉积室外壳)连通。关于复合阳极4，在电极几何形状方面的改变仍然适用，例如圆柱形阳极与圆柱形钨丝线圈电极所构成的复合电极等。抽真空装置15采用两级真空系统，主真空泵采用分子真空泵或扩散泵，次级泵采用旋片式真空泵，确保系统极限真空度达到5X10—3以上。
权利要求1.一种高界面强度类金刚石薄膜材料的常温沉积设备，含有沉积室，与沉积室连通有原料气进气管道和抽真空装置，在沉积室内底部设有与等离子发生源负极连接的阴极载物台，在沉积室内部上侧设有与等离子发生源正极连接的阳极，其中阳极与沉积室电连接， 沉积室与地线连接，以及加热灯丝装置，其特征是所述阳极为复合阳极，该复合阳极包括一个平板阳极和一个高熔点金属丝线圈阳极，其中平板阳极位于高熔点金属丝线圈阳极上侧，平板阳极和高熔点金属丝线圈阳极均与等离子发生源阳极连接；所述等离子发生源为一个DC直流等离子发生源和一个交变等离子发生源，两等离子发生源的阳极与沉积室外壳连接，两等离子发生源的阴极分别通过隔断开关与阴极连接。
2.根据权利要求1所述的常温沉积设备，其特征是在所述高熔点金属丝表面上，间隔一定的距离开设有带锐角的三角形槽口，该锐角的尖端部不低于平坦部，构成尖端放电点。
3.根据权利要求1或2所述的常温沉积设备，其特征是所述高熔点金属丝线圈阳极为钨丝线圈阳极，或者为钼丝线圈阳极，或者为钽丝线圈阳极。
4.根据权利要求1所述的常温沉积设备，其特征是所述加热灯丝装置包括高熔点金属丝线圈、用于加热的直流电源和接地通断开关，该高熔点金属丝线圈的两端分别与用于加热的直流电源的正负极连接，并且该高熔点金属丝线圈的电源线通过一个接地开关与沉积室外壳连通，同时在用于加热的直流电源的输出端上安装有隔断开关。
5.根据权利要求1所述的常温沉积设备，其特征是所述交变等离子发生源为RF射频等离子发生源，或者为DC脉冲等离子发生源、或者为高频等离子发生源、或者为微波等离子发生源。
6.根据权利要求1所述的常温沉积设备，其特征是所述平板阳极与高熔点金属丝线圈阳极之间由陶瓷管绝缘，不直接导通；在沉积室的上侧还安装有一个用于调整复合阳极与阴极之间距离的升降器，通过调整升降器使复合阳极上下移动从而调整复合阳极与阴极之间的距离。
7.根据权利要求1所述的常温沉积设备，其特征是所述复合阳极，其平板阳极与高熔点金属丝线圈阳极的电极表面形状相匹配，为圆形或多边形结构。
8.根据权利要求1所述的常温沉积设备，其特征是抽真空装置采用两级真空系统，主真空泵采用分子真空泵或扩散泵，次级泵采用旋片式真空泵。
专利摘要本实用新型涉及一种高界面强度类金刚石薄膜材料的常温沉积设备，采用一个由平面平板电极和钨丝线圈电极所构成的组合阳极，在钨丝线圈阳极上加工出锐角的三角形槽口，以形成尖端放电点；在DC直流等离子放电中，在DLC薄膜表面形成一定密度的微孔构造，使DLC薄膜成为非连续膜，其作用是减少膜中的压缩残余应力。通过组合阳极的升降调整，可以控制DLC薄膜表面形成的微孔密度。电源采用DC-RF射频双电源系统，DC直流等离子发生源使镀层和薄膜有好的结合强度，同时也与金属基材有好的结合强度；利用RF射频法形成致密的DLC薄膜结构，提高薄膜的耐磨性能；同时将钨丝线圈电极转换为热灯丝，形成热丝辅助CVD化学气相沉积过程，提高薄膜的沉积速度。设备使用寿命长，非常利于推广实施。
文档编号C23C16/27GK201962349SQ20102067332
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者郑锦华 申请人:郑州大学, 郑锦华