[发明专利]碳基多层薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碳基多层薄膜，其特征在于，包括基体、过渡层和ta‑C层，所述过渡层包括金属Ta层、金属Ti层和TiC层，所述金属Ta层、金属Ti层、TiC层和ta‑C层依次层叠设置在所述基体上。本发明利用电弧结合偏压产生高能碳离子束轰击金属Ti表层，通过在Ti表面植入碳离子形成TiC层，使金属Ti层与ta‑C层具有很强的界面结合，能显著提高薄膜使用性能和寿命。

技术领域

本发明涉及表面工程技术领域，特别是一种碳基多层薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

四面体非晶碳(tetrahedral amorphous carbon,ta-C)C-C sp³含量超80％，结构和性能非常接近金刚石(sp³键含量100％)，具有低摩擦、自润滑、热稳定性好、低温沉积、以及极高的硬度和耐磨性等优点，在电子制造(微钻)、精密模具等领域具有广泛的应用。然而，ta-C薄膜高内应力和低膜/基结合力等因素极大地限制了其使用寿命和性能。

在ta-C涂层与基体之间加入过渡层是目前提高ta-C涂层膜/基结合力的主要手段，但是利用真空技术沉积金属层往往存在很多缺陷，如针孔、晶界等。而基体元素(如硬质合金中的Co)可以通过缺陷通道扩散到ta-C薄膜中，Co对C-C sp³起催化作用，使其向石墨sp²转变，降低了ta-C薄膜硬度和界面结合力。此外，过渡金属层对基体(如硬质合金基体)和ta-C薄膜结合强弱不同，导致一般过渡金属层很难在基体和金属层、以及金属层和ta-C层之间同时具有很高的界面结合力，导致膜/基结合力变差。

因此，开发一种具有强界面结合力，能有效提高使用性能和寿命的碳基多层薄膜具有重大意义。

发明内容

基于此，本发明提供了一种碳基多层薄膜及其制备方法，该碳基多层薄膜具有很强的膜/基结合力，有效阻挡基体元素扩散，显著提高薄膜使用性能和寿命。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下。

本发明提供了一种碳基多层薄膜，包括基体、过渡层和ta-C层，所述过渡层包括金属Ta层、金属Ti层和TiC层，所述金属Ta层、所述金属Ti层、所述TiC层和所述ta-C层依次层叠设置在所述基体上。

在其中一些实施例中，所述的碳基多层薄膜中，所述金属Ta层的厚度为50nm～100nm，所述金属Ti层的厚度为50nm～100nm，所述TiC层的厚度为10nm～20nm，所述ta-C层的厚度为300nm～600nm。

在其中一些实施例中，所述的碳基多层薄膜中，所述基体选自硅片和合金中的一种。

本发明还提供了碳基多层薄膜的制备方法，包括以下步骤：

在所述基体上依次层叠设置金属Ta层、金属Ti层、TiC层以及ta-C层，所述TiC层是通过电弧结合偏压在Ti金属表面植入碳离子的方式生成。

在其中一些实施例中，所述的碳基多层薄膜的制备方法中，所述金属Ta层是通过如下步骤沉积得到：

开启装有Ta靶的磁控溅射源，向真空室通入氩气150sccm～200sccm，控制真空室气压为0.4Pa～0.6Pa；将基体的偏压设置为-100V～-200V，溅射电源设置在3kW～4kW，沉积时间为5min～10min。

在其中一些实施例中，所述的碳基多层薄膜的制备方法中，所述金属Ti层是通过如下步骤沉积得到：

开启装有Ti靶的磁控溅射源，向真空室通入氩气150sccm～200sccm，控制真空室气压为0.4Pa～0.6Pa；将基体的偏压设置为-100V～-200V，溅射电源设置在3kW～4kW，沉积时间为5min～10min

在其中一些实施例中，所述的碳基多层薄膜的制备方法中，所述TiC层是通过如下步骤制备得到：