[发明专利]线性离子束源装置及利用该装置沉积类金刚石碳薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种线性离子束源装置及利用该装置沉积类金刚石碳薄膜的方法。

背景技术

类金刚石(Diamond-like carbon，DLC)薄膜因具有高硬度、低摩擦系数、良好耐蚀耐磨性，宽透光范围和极佳生物亲和性等独特的性能，被广泛用于工具、模具、汽车、磁存储、微电子等工业生产和生活实际中。尤其因它在极端工况条件下表现出的超低摩擦系数和良好耐磨寿命，在航空、航天等高技术领域显示出了良好的应用前景，是近年来新型碳功能材料和摩擦学领域的研究热点和重要分支之一。

目前，类金刚石薄膜的沉积技术主要有物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，PVD)、化学气相沉积技术(Chemical Vapor Deposition，CVD)和液相电化学沉积法三大类。物理气相沉积法主要包括利用碳源气体的离子束沉积、和利用固体石墨靶材的磁控溅射、阴极真空电弧沉积等方法；化学气相沉积法主要有等离子增强CVD、热丝CVD和微波等离子体回旋共振CVD等。相较PVD方法而言，该方法沉积温度较高，难以在塑料等对温度敏感的基材上实现沉积，且膜基结合力一般较差；液相电化学沉积法是近年来兴起的一种新型湿式合成方法，主要通过电解有机溶液来制备类金刚石膜，此法虽具有设备简单、条件温和的优点，但合成的薄膜物理、化学特性及工艺稳定性较差，现多处于实验探索阶段。综合而言，PVD法是目前合成类金刚石碳膜常用的工业化技术，但因这些方法均存在以下一些问题，严重制约了类金刚石碳膜的广泛应用：

传统热丝离子束方法制备出的DLC碳膜具有残余应力小、表面光滑的优点，但一方面热丝的长时间使用容易导致等离子体离化率降低、成膜质量变差，另一方面受大多数离子源的圆柱形结构设计，此法生长的薄膜均匀面积较小，难于实现大面积产业化推广，多个离子源的并行使用虽可扩大面积，但成本和设备复杂度相应提高；

磁控溅射DLC薄膜技术虽具有沉积温度低、大面积生长容易、技术成熟的特点，但薄膜生长速率较低、膜基结合力、在金属等基材上难于沉积，易剥落失效；

阴极真空电弧DLC碳膜具有沉积速率高、离子能量大、膜基结合力好的优点，但因电弧熔融弧斑的存在常导致薄膜表面沉积有大量宏观大颗粒、表面粗糙、性能下降，添加磁过滤器虽可一定程度解决此问题，但薄膜的沉积速率会因此大幅下降，且相关设备复杂昂贵。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种能在较大尺寸范围内产生连续均匀的离子束流、利于大面积均匀沉积的线性离子束源装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种制备大面积均匀类金刚石薄膜的方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：该线性离子束源装置，包括有：阴极，阳极，所述阴极和所述阳极之间形成有电离区域，用于将可电离的气体引导进入所述电离区域的气体供应通道，以及用于在所述电离区域产生磁场分布的磁体，其特征在于：所述阴极上开设有一环形缝隙，从而将阴极分割为处于环形缝隙中间的第一阴极和处于环形缝隙外围的第二阴极，而所述阳极也呈环形结构，并且所述阳极置于与阴极的环形缝隙相对应的位置。

所述阴极上开设有的环形缝隙的宽度为2～5mm。

所述电离区域的高度为2～5mm。

所述环形缝隙由两半圆和一组平行线组成的呈跑道形状的环形缝隙。

所述磁体为一永磁体，并且该永磁体的N极与第一阴极相抵。

较好的，本发明的线性离子束源装置还包括有冷却水循环管道。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：该利用上述线性离子束源装置沉积类金刚石碳薄膜的方法，采用离子溅射装置对工件表面进行类金刚石碳薄膜沉积，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：将工件放入丙酮或酒精中，利用超声波清洗5～10分钟，然后用去离子水漂洗后，烘干待用；

步骤二：将工件置于离子溅射装置的真空室中，抽真空至小于等于2×10^-5Torr后，向线性离子束源装置的气体供应通道内通入35～45sccm惰性气体，同时，线性离子束源装置的工作电流设为0.1～0.3A，工作电压控制在1400±50V，同时将工件的负偏压设为-100V～-200V，工作时间为10～15分钟；

步骤三：关闭惰性气体，向线性离子束源装置的气体供应通道内通入35～45sccm乙炔气体，线性离子束源装置的电源参数与步骤二中相同，将工件的负偏压设为-100～-200V，工作时间为10～60分钟；