[发明专利]掺杂类金刚石涂层的多离子束溅射沉积技术

说明书

所属技术领域：

本发明专利涉及一种制备掺杂类金刚石(DLC)涂层的多离子束溅射沉积技术，属于高性能DLC涂层材料的复合制备技术。

背景技术：

类金刚石涂层具有高硬度、高弹性模量、优异的摩擦磨损性能、化学稳定性及生物相容性，具有非常广泛的应用前景。但内应力大、膜/基结合力差、热稳定性差、脆性大等限制了DLC涂层在苛刻服役条件下的应用。

采用过渡层可克服膜/基界面处结构、性能差异大的问题，缓解DLC膜的内应力和提高DLC涂层的膜/基结合力。通过在DLC涂层中掺杂W、Ti、Cr、Zr、Cu、Si、F等元素，形成以非晶碳膜为基体的多元复相结构，可显著改善DLC膜的综合性能；但掺杂单一元素也存在一些问题，如掺杂钨会增大DLC涂层的摩擦系数，掺杂钛导致DLC涂层脆性增大，掺杂F导致DLC涂层的热稳定性变差；为了进一步改善DLC涂层的性能，需要通过DLC涂层的多种元素掺杂实现不同掺杂元素的优势互补，但目前还没有开发出适合工业化批量生产的DLC涂层多元掺杂技术。

多离子束溅射沉积技术的工艺参数可以严格控制，制备的DLC膜力学性能优异，是一种合成高性能DLC涂层的理想方法，但目前还没有利用该方法合成多元掺杂DLC涂层的文献报道。

开发新型的多元掺杂DLC涂层及其过渡层的多离子束溅射沉积技术，制备出具有优化梯度分布的过渡层的高性能多元掺杂DLC涂层对DLC涂层在苛刻服役条件下的应用具有重要意义。

发明内容：

为了克服目前DLC涂层制备技术和掺杂方案存在的不足，本发明专利提出了一种新型的DLC涂层多离子束溅射沉积技术，其特征在于：所述方法将离子束溅射沉积、离子束辅助沉积、离子束刻蚀清洗结合起来，制备多元掺杂DLC涂层，该方法依次包括以下步骤：

(1)首先利用超声波清洗技术去除工件表面污染层；

(2)利用离子源产生的氩离子束对工件表面进行离子束刻蚀清洗，获得原子级的清洁表面；

(3)利用离子束辅助沉积方法制备梯度过渡层；

(4)利用多离子束溅射+低能离子束辅助沉积方法制备多元掺杂DLC膜。

在上述制备方法中，步骤(2)的离子源可采用考夫曼离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。

在上述制备方法中，步骤(2)向离子源中通入氩气。

在上述制备方法中，步骤(3)在溅射离子源从金属靶材上溅射的金属粒子沉积在工件表面的同时，利用辅助沉积离子源发射的气体离子束持续轰击沉积膜层表面，形成梯度过渡层。

在上述制备方法中，步骤(3)的溅射离子源采用考夫曼离子源；金属靶材可以为Ti、Cr、Zr、W、Nb中的任何一种金属；溅射离子源发射的离子束能量为300-4000eV，束流为10-200mA。

在上述制备方法中，步骤(3)的辅助沉积离子源可以采用考夫曼离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源；先后向溅射离子源中通入氩气、氩气/氮气混合气、氩气/氮气/含碳气体混合气、氩气/含碳气体混合气；辅助沉积离子源发射的离子束能量为50-1000eV，束流为10-200mA。

在上述制备方法中，步骤(3)制备的梯度过渡层包括Ti/TiN/TiCN/TiC、Cr/CrN/CrCN/CrC、Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、W/WC、Nb/NbN/NbC等梯度过渡层。

在上述制备方法中，步骤(4)利用一个或几个溅射离子源从石墨靶上溅射碳粒子，利用一个或几个溅射离子源从金属靶材上溅射金属粒子，同时利用辅助沉积离子源发射的气体离子持续轰击沉积膜层表面，调控掺杂DLC涂层微观结构和实现多元掺杂。

在上述制备方法中，步骤(4)溅射石墨靶的溅射离子源采用考夫曼离子源，溅射离子源发射的离子束能量为300-4000eV，束流为10-200mA。

在上述制备方法中，步骤(4)溅射金属靶的溅射离子源采用考夫曼离子源，金属靶材可以为金属靶、合金靶或金属镶嵌靶，溅射离子源发射的离子束能量为300-4000eV，束流为10-200mA。

在上述制备方法中，步骤(4)辅助沉积离子源可以采用考夫曼离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源，除了向辅助沉积离子源中通入氩气或氩气/氢气混合气外，还至少向辅助沉积离子源中通入甲烷、乙炔、氮气、硫化氢、二硫化碳、硅烷、四氟化碳等气体中的一种气体，辅助沉积离子源的离子束能量为50-500eV，束流为10-200mA。