[发明专利]二步法脉冲沉积制备高密度类金刚石薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于金属或非金属表面改性处理的真空镀膜方法，特别是成形于工件表面的的脉冲放电沉积制备类金刚石薄膜的方法。

背景技术

类金刚石薄膜(Diamond like carbon-DLC)是一种非晶碳膜，当其中金刚石相(碳的键结形式为SP 3)比石墨相(碳的键结形式为SP2)较多时，膜层表现出类似金刚石的特性，硬度达到75GPa，耐磨损率1.3×10^-7cm³/Nm，因此称为类金刚石薄膜。DLC膜的制备主要包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)方法，分别采用蒸发离化石墨靶材和分解离化碳氢化合物气体，获得具有相当能量的碳离子撞击基体表面形成具有金刚石结构的薄膜。自从Asisenberg和Chabot首次通过离子束沉积的办法获得DLC膜后，因为其优越的机械、热学、光学及电子的特性，被运用在不同产品上，各种形式的制备技术不断涌现，主要包括非平衡磁控溅射、多弧离子镀、磁过滤阴极电弧沉积等为代表的物理气相沉积方法和射频/微波等离子增强化学气相方法，处于亚平衡态的DLC薄膜也因沉积设备和工艺的不同，其物理机械性能差别较大。

因磁控溅射过程中激发出来的碳离子能量较低，在基体表面难以形成SP3含量较高具有金刚石结构的涂层，多弧离子镀由于电弧放电蒸发离化碳原子的同时，伴随产生大量“溶滴”，在基体表面形成较多的夹杂物，颗粒度达到几个微米，使得薄膜组织结构疏松，部分离子注入引起比较大的内应力(10GPa)，容易造成薄膜脱落。近来发展起来的过滤式阴极电弧沉积虽然薄膜较为均匀，且表面没有其他缺陷沉积，但过滤抑制绝大部分微粒，沉积速度严重下降(1/10)，无法满足具有一定厚度的耐磨涂层要求。利用化学气相沉积办法，工艺温度一般在600-1000℃，容易引起基材性能改变及工件尺寸高温变形，限制了其适用的领域。综上所述，由于以上原因阻碍了DLC薄膜的工业化发展。同时，传统的物理沉积法所获得的DLC薄膜难以实现高密度成核及定向晶面成长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有物理气相沉积法和化学气相沉积法各自的缺陷，提供一种能提高DLC薄膜沉积速度、增加薄膜的附着力、减小薄膜内应力、改进表面粗糙度、能实现高密度成核及定向晶面成长的脉冲放电沉积制备类金刚石薄膜的方法。

本发明的技术方案是：采用二步法通过以石墨为阴极电极的脉冲电弧放电和分解离化碳氢化合物气体混合物理化学气相沉积法在工件表面进行金刚石薄膜的沉积，其操作步骤是：

(1)超声波清洗，将工件经常规超声波清洗并烘干后，及时放置在镀膜室内的旋转支架上；

(2)抽真空，将镀膜室内的真空度抽至3×10^-3Pa；

(3)离子清洗，向镀膜室内通入氩气，压力为6×10^-1Pa，启动旋转支架，开启离子清洗源，电压为2000～2500V，产生辉光放电，电流45mA，产生大量氩离子对工件表面进行轰击，离子清洗时间为10-12min；

(4)薄膜沉积，开启以石墨为阴极电极的脉冲电弧放电，电压为220-380V，脉冲频率控制为12Hz，向镀膜室内通入甲烷和氢气进行二步法沉积，其中成核阶段甲烷量控制为3-10％，其余为氢气；在长膜阶段，甲烷量控制为1-4％，其余为氢气。

本发明在镀膜室内通入碳氢化合物气体，通过特殊结构的石墨电极产生脉冲电弧放电，形成高速(30～35km/s)、高能量(60～70eV)碳等离子束，在飞向基体的过程中碳离子有足够能量依靠碰撞分解并离化碳氢化合物气体，提高离化率，增加碳离子密度，增强绕射性，能有效解决现有技术中的问题。物理-化学气相沉积过程表现在阴极电弧放电产生的碳等离子体与碳氢化合物气体相互作用，有机分子产生分解，并形成化学活性的自由基吸附于基体表面形成碳薄膜。有关专家详细描述有机分子主要可能产生的一系列等离子化学反应，分解生成自由基的过程，最少需要17.5eV能量，而由脉冲电弧放电引发产生的碳等离子密度达到1019cm^-3，碳离子的能量上提到60-70eV，单个碳离子至少可分解3个碳氢化合物气体分子，由此使得吸附于表面的碳原子数量大量增加，显著提高了沉积的速度；同时由于碳离子与碳氢化合物气体的碰撞，阻碍大的颗粒直接沉积，沉积粒子能量平均分布较窄，降低沉积温度，有利于形成性能一致的薄膜；而且能减少粒子注入而产生的内应力；引入气体分子，增强粒子绕射性能，改善组织形貌，可以在比较大的表面形成厚度均匀的薄膜。