[发明专利]一种金属掺杂无氢类金刚石碳膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料的表面处理，具体地说是一种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(DLC)由于其极高的硬度、低的热膨胀系数以及低的摩擦系数等优良特性而备受青睐。但是高的内应力、相对较差的膜基结合力和热稳定性等严重限制了DLC的广泛引用。在材料表面沉积低摩擦系数、高结合强度的类金刚石薄膜一直是镀膜领域所要达到的目的，但是这个过程一直受到内应力困扰，较高的内应力极易导致薄膜在使用过程中从基体剥落，甚至在制备过程中从基底表面剥落，限制了薄膜的应用。

金属掺杂类金刚石薄膜由于具有比类金刚石薄膜低的内应力，同时能够大大提高薄膜的韧性。通常情况下由于掺金属类金刚石薄膜一般形成金属碳化物，因此类金刚石薄膜的硬度也保持在较高的范围。如掺钨类金刚石碳膜中钨元素会和碳形成W-C键，会改善薄膜的结合力，提高薄膜的热稳定性等性能。

金属掺杂无氢类金刚石薄膜由于具有比类金刚石薄膜低的内应力，更好的热稳定性以及更好的膜基结合力，同时也保持了类金刚石薄膜高硬度、低摩擦系数的性能优点，适用于精密工件耐磨损表面处理。沉积金属掺杂含氢类金刚石薄膜相对容易实现，但是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。同时，传统制备手段所制备的薄膜存在不够致密、表面质量差等问题。因此本发明采用离子束辅助沉积技术制备金属掺杂类金刚石薄膜，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。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的问题，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，使用高纯度金属靶和石墨靶，在辅助源的辅助轰击作用下溅射靶材沉积制备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，可以广泛应用于硅和各种金属材料的表面处理中。

实现本发明的技术方案是：一种金属掺杂无氢类金刚石薄膜的沉积制备方法，其特征在于包括下列步骤：

a.将工件利用去离子水超声波清洗干净烘干后，固定于离子束辅助沉积镀膜设备真空室内的工件转盘上，并将真空室抽真空；

b.将氩气通入真空室，并保持真空度的稳定，开启工件转盘，开启离子源和辅助源分别将工件及靶材表面清洗和活化；

c.气源持续供气，保持真空度稳定，开启离子源与辅助源在工件表面沉积制备掺钨无氢类金刚石薄膜；

d.关闭工件转盘，等待工作台温度充分降低后取出工件。

所述真空室的真空度优于2×10^-4Pa；

所述真空室在持续通入氩气过程中，真空度稳定在1.2×10^-2～1.5×10^-2Pa；

所述离子源工作电压为2.0～3.5KV，离子束流为20～100mA，工作时间为60min～180min；

所述靶材为纯度大于99.97％的高纯度金属靶与高纯度石墨靶进行双靶溅射；

所述金属靶材料为钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钛(Ti)、银(Ag)、铜(Cu)、锆(Zr)中的任何一种；

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，辅助源电压为200V～800V，束流密度为20～100mA；

所述工作台温度降低至不高于50℃方能取出工件。

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、抗磨性能和热稳定性能。工艺可操作性强，重复性好，可适用于硅和各类金属工件表面的耐磨损处理。

具体实施方式：

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1：

1、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2.0×10^-4Pa；

2、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1.3×10^-2Pa，采用电压2.7KV，电流100mA的离子束流对靶材进行轰击；采用电压0.2KV束流100mA对样品进行轰击清洗，轰击时间为10min；