[发明专利]一种多元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，具体地说是一种多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的沉积制备方法。

背景技术

类金刚石薄膜作为一种新型的润滑薄膜材料，具有硬度高、摩擦系数小、耐磨寿命长等优异的性能，在苛刻环境中用作防护薄膜以及在精密器械、微机电系统、空间环境部件等相关领域用作润滑薄膜材料显示了巨大的应用前景。但由于同时它具有高的内应力、热稳定性差、环境依赖性强等缺陷，在实际应用中受到了很大的局限。采用现代技术制备的类金刚石薄膜主要分为含氢类和不含氢类两种，但是相对无氢类金刚石薄膜而言，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，因此对于无氢类金刚石的制备受到广泛关注。

传统类金刚石制备手段所制备的薄膜存在不够致密、表面质量差等问题。作为制备类金刚石薄膜的先进技术之一，离子束辅助沉积技术在气相沉积的同时，进行离子束轰击混合，能够有效改善薄膜性能，如提高类金刚石膜的粘结强度。同时，不同金属掺杂能够使得类金刚石薄膜的特性得到很好的改善，同时保留其诸多的优点。如钼掺杂类金刚石能够有效降低其内应力并且在干燥空气或者真空中能够表现出优异的摩擦学性能，但是其潮湿环境中的摩擦学性能有所下降。钨掺杂类金刚石薄膜能够大大提高DLC薄膜的硬度并降低其内应力，但是同时使得其摩擦系数有所提高。因此具有多种优异特性的金属掺杂类金刚石薄膜的制备显得尤为重要。

本发明利用离子束辅助沉积技术进行双靶溅射沉积，所采用金属靶为镶嵌金属靶，保证了多种金属同时均匀掺杂在类金刚石薄膜中，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。同时通过不同参数的调节保证了制备的薄膜具有不同金属掺杂时的优良特性，并且保留了原有薄膜的诸多优点。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，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，提供一种多元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，使用镶嵌金属靶和石墨靶，在辅助源的辅助轰击作用下通过离子束溅射沉积制备多元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，同时制备的薄膜具有单一金属掺杂所不具备的优良综合特性，可以广泛应用于硅和各种金属材料的表面处理中。

为实现上述目的，本发明提出一种多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜的沉积制备方法，，其特征在于：采用多元金属镶嵌靶，该镶嵌靶在溅射区3内，使用镶嵌块2均匀镶嵌于基础靶材1上构成，该方法依次包括以下步骤：

a、根据需求准备不同组成的金属镶嵌靶以及高纯度石墨靶，并安装在旋转水冷靶台上；

b、将待处理表面进行洁净处理后固定于设备真空室的样品台上；

c、将真空室抽真空至本底真空，持续通入反应气体，气体通入过程中真空室气压保持稳定在一定范围；

d、开启工件转盘，开启离子源和辅助源，溅射清除靶材及待处理表面污染物后开始沉积多元金属掺杂无氢类金刚石薄膜；

e、关闭工件转盘，等待温度充分降低之后取出样品。

所述镶嵌块或和基础靶材均由金属粉末压制而成，材料为钨(W)、钼(Mo)、铁(Fe)、铬(Cr)、钛(Ti)、银(Ag)、铜(Cu)、锆(Zr)、铝(Al)中的任何一种金属。

所述镶嵌块或和基础靶材均由金属粉末压制而成，材料为钨(W)、钼(Mo)、铁(Fe)、铬(Cr)、钛(Ti)、银(Ag)、铜(Cu)、锆(Zr)、铝(Al)中的任何一种金属。

所述镶嵌靶由镶嵌块镶嵌于基础靶材构成，靶材溅射区域内，镶嵌块均匀分布于基础靶材上，溅射面积相等，镶嵌块可以是一种或多种镶嵌块均匀分布在基础靶材镶嵌区。

所述石墨靶为纯度大于99.97％的高纯度石墨靶。

所述待处理表面洁净处理过程包括对表面进行抛光处理、利用去离子水超声波清洗干净和烘干处理

所述本底真空为2×10^-4Pa，反应气体可以为氩气(Ar)、氦气(He)、氖气(Ne)、氪气(Kr)中的任何一种气体或几种气体的混合气体，持续通入气体过程中，真空室压强范围为1.2×10^-2～1.5×10^-2Pa之间。