[发明专利]一种晶态WC硬质合金薄膜及其缓冲层技术室温生长方法

说明书

本发明公开了一种缓冲层技术室温生长晶态WC硬质合金薄膜的方法，步骤包括1）采用直流磁控溅射方法，以W金属为靶材，Ar为工作气体；W薄膜在Ar等离子体气氛中室温生长，形成缓冲层W薄膜；2）在W薄膜生长结束后，维持Ar的通入和压强不变；改用射频磁控溅射方式，WC合金为靶材；通入CH₄气体，形成Ar‑CH₄混合工作气体；同时采用汞灯照射衬底，汞灯波长为185 nm和254 nm；室温生长WC薄膜。本发明利用W缓冲层技术、等离子体增强和紫外增强的三重作用，有效提高了室温生长WC薄膜的结晶质量，制得的WC薄膜为晶态薄膜，具有六方相结构；W:C的原子百分比为51.3:48.7~50.4:49.6；其显微硬度高于21GPa，与基底的附着力高于32N。

技术领域

本发明属于硬质合金薄膜技术领域，尤其涉及一种晶态WC硬质合金薄膜及其生长方法。

背景技术

碳化钨（WC）是一种典型的硬质合金材料，为简单六方结构，六方WC直到3049K的温度下都是稳定的。WC具有非常优异的物理和化学性能，如高硬度，高耐磨，热稳定性和化学稳定性好，抗氧化性好，热膨胀系数低，弹性模量高，具有一定程度的塑性，并且WC被大多数粘结相浸润的性能优于其它碳化物，且比其它碳化物韧性好。此外，WC还具有高导热性和高导电性，有利于切削应用。鉴于上述优点，WC作为一种硬质耐磨涂层，广泛应用于国防军工、航空航天、冶金、石化、电力、交通运输、水利、海洋开发等军事和民用工业领域，成为解决重要零部件耐磨耐蚀与防护的关键技术。

目前，WC涂层的主流制备技术是热喷涂方法，包括：等离子体喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂和超音速喷涂等。此外，物理气相沉积（PVD）作为一类新型的WC涂层技术也日益受到重视，其中最为典型的是磁控溅射。磁控溅射广泛应用于各工业领域，最近几年越来越多地被用于制备WC薄膜，具有较低的沉积温度和较高的沉积速率，所形成的为非晶或晶态薄膜，薄膜致密且厚度可控，可精确控制在纳米（nm）量级。因而，磁控溅射制备的WC薄膜，除传统的应用领域外，还可应用于微型产品（如集成电路的微型钻头）和小而薄的零件，而且在微电子领域也有广阔的应用前景（如微电子器件的扩散阻挡层、透明导电薄膜等），成为WC薄膜技术研究的热点。

磁控溅射制备的WC薄膜，为了提高其物理性能，通常要求材料为晶态物质。与非晶态WC相比，晶态WC具有更高的硬度和耐磨性，抗腐蚀性能好，而且晶态WC导热和导电特性显著优于非晶态WC，因而在实际应用中一般均要求WC涂层为结晶状态。目前磁控溅射生长晶态WC薄膜的方式主要有两种：直接晶态生长；非晶态生长再经热处理转化为晶态。

（1）直接晶态生长。如果直接生长晶态WC薄膜，温度通常要在600℃以上，这一温度对基底的限制性非常大，特别是当PVD生长过程较长（如几小时）的时候更是如此。因而，降低生长温度是人们迫切的需求。2003年，Palmquist等人 [J. P. Palmquist, Z. Czigany,L. Hultman, and U. Jansson, Epitaxy growth of tungsten carbide films usingC60 as carbon precursor, J. Crystal Growth 259, 12-17 (2003)] 以C60为碳源进行蒸发，用纯W靶溅射，在400℃的较低温度下直接溅射生长纳米WC薄膜，无需后续热处理就可得到晶态物质，在低温生长上有了突破性的进展，但没有后续的报道。目前为止也没有其它更低温度直接生长晶态WC薄膜的报道。

（2）非晶态生长再经热处理转化为晶态。目前晶态WC薄膜生长一般选用这种方法，退火温度均在800℃以内。一般的工艺为：在常规的氩气或氢气保护下800℃退火处理，使WC晶化，但退火过程中薄膜成分会发生变化，导致表层C损耗、W₂C生成和金属W的析出，为解决这一问题，可用丙烷和氢气的混合气体作为退火过程中的工作气体，补充C的损耗，具有较好的效果。采用这种方法，WC晶化所需的温度仍然要高于800℃，虽然退火过程要比生长过程短（约几分钟），对基底的损伤可能并不明显，但对于小而薄的零件，这种工艺的可行性仍不能达到要求。