[发明专利]一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法

说明书

本发明公开了一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法，利用ECR等离子体加工系统，通过调节掩模版的孔径尺寸及离子刻蚀时间，可实现表面织构的参数调控。利用共聚焦显微镜对织构形貌进行表征可发现，织构直径为10～120μm可调，且深度与刻蚀时间成正相关，刻蚀速率为1nm/min，加工后样品的摩擦磨损性能获得大幅度提高，便于实现表面织构的加工并精确控制织构尺寸。

技术领域

本发明属于表面织构制备领域，具体涉及一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法。

背景技术

随着纳米科技的发展，磁记录存储系统和微机电系统以及航空航天领域等都对降低接触面的摩擦系数和提高磨损寿命提出了越来越高的要求。表面的织构化已经作为一种有效的方式应用于硬盘和轴承等领域

通过在轴承表面加工织构可以有效的提高轴承的工作寿命并降低摩擦系数。同时很多仿生学研究发现，表面织构的存在可以有效的改变材料表面的亲疏水特性及光吸收特性等。织构尺寸对这些性能起到了十分关键的作用，不同织构的深度及形状大小对摩擦系数及磨损寿命都有十分显著的影响。综上，提出一种有效加工并控制织构尺寸的技术具有十分重要的应用价值和意义。

现有的加工表面织构的办法主要有机械加工，激光加工，和离子刻蚀等方法。其中机械加工精度很低，且织构尺寸较大，不能够满足越来越小的织构尺寸需求。而激光加工方法加工精度约100～500μm，但存在损伤表面及熔融物的表面堆积问题。熔融物的堆积导致了织构的深度较难控制且表面化学性质可能会发生变化。相比之下，离子刻蚀加工精度较高，无表面损伤，无加工升温的影响，因此在织构的加工方面存在巨大的潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法，利用电子回旋共振(Electron CyclotronResonance，ECR)等离子体加工系统对已沉积的碳膜进行表面织构的加工，制备的织构化碳膜有较低的摩擦系数及较长的磨损寿命。

本发明采用以下技术方案：

一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法，利用ECR等离子体加工系统对已沉积的碳膜进行表面织构加工，通过调节掩模版的孔径尺寸及离子刻蚀时间，实现表面织构的参数调控；利用共聚焦显微镜对织构形貌进行表征，确定织构的直径为10～120μm，以1nm/min的刻蚀速率制备摩擦系数在0.18～0.06，磨损寿命为10000圈以上的织构化碳膜。

进一步的，包括以下步骤：

S1、将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气，施加磁线圈电流及微波使腔体中的氩原子离化，产生等离子体，将等离子体溅射碳靶，并将碳原子沉积为碳膜；

S2、在碳膜上施加基片负偏压，等离子体腔体中的氩离子经加速后透过掩模版轰击样品表面，氩离子刻蚀碳膜表面从而实现样品的离子刻蚀；

S3、利用共聚焦显微镜对不同织构尺寸下的样品表面进行表征，确定刻蚀深度与刻蚀时间成正比关系，通过改变刻蚀的时间对织构的深度进行控制。

进一步的，步骤S1具体为：

S1.1、对等离子体腔体抽真空，当真空度达到2～4×10-4Pa后将氩气通入到等离子体腔体中，使等离子体腔体内的气压到达2～6×10-2Pa；

S1.2、通过施加350～450A的磁线圈电流及100～300W的微波使腔体中的氩原子离化，初始电子在磁场和微波的耦合作用下做回旋运动，得到氩等离子体；

S1.3、在碳靶加偏压后氩等离子体中氩原子轰击碳靶表面溅射出碳原子，在基片施加偏压后氩等离子体中电子辅助碳原子进行沉积，形成60～80nm厚度碳膜。