[发明专利]全元素离子束材料表面改性方法

说明书

本发明属于材料表面改性方法。

在现有的材料表面改性方法中，通常包括离子注入、离子束辅助沉积、真空离子镀膜等方法。其中，离子注入方法有气体离子注入和金属离子注入方法；离子束辅助沉积局限于气体离子束(如氮气、氩气、氙气等)辅助沉积，只能形成TiN、ZrN等膜或离子束混合膜层；真空镀和离子镀具有较高的沉积效率，但膜层与基体之间过滤区窄、结合力较差。

本发明的目的在于提供一种多功能材料表面改性方法，除完成现有离子注入方法、离子束辅助沉积外，还可完成气体-固体离子复合注入方法、金属离子束增强沉积膜、多层膜和复合膜的表面改性方法。使用范围广，所以称为全元素离子束材料表面改性。

本发明的技术内容：

将清洗的工件(3)放在真空室(1)内的可转动水冷工件台(2)上，真空抽至10^-4～10^-3Pa。

离子溅射源(5)通入氩气，形成氩离子束，射到原子束溅射靶(6)上，靶材可采用一种材料或多种材料组合靶，从靶材上溅射下原子，沉积在工件(3)表面上。与此同时，由离子注入源(4)引出气体离子束、碳、硅或硼单一离子束，或者同时引出气体和金属离子束注入到工件表面，形成各种功能膜和多层复合膜，如超硬膜、光学膜、电导膜和超导膜等。

向全元素离子注入源(4)中通入气体，如N₂、Ar、BH₄、CH₄，离子化后在引出系统作用下，引出气体离子束进行气体离子注入；接通导电固体阴极(如纯金属、石墨碳、化合物)的触发电源，形成真空弧，产生的固体蒸气离化后，在引出系统作用下，引出金属或其它离子束，进行金属等离子注入；若触发二个以上导电固体阴极时，进行金属复合离子注入；同时触发气体和固体阴极，进行气体—金属元素复合离子注入。

本发明的技术特点和指标：

1.真空室(1)极限真空度10^-4Pa。

2.离子注入源(4)是脉冲全元素离子注入系统，可以进行气体离子注入、固体(金属或其它导电体)离子注入、气体—固体离子同时注入，其中固体阴极可为单种材料引出单元素离子束；也可由多种材料组合，同时触发引出多元素离子束。

技术指标：引出电压20～100KV，束流强度：气体离子束流强0～200mA、金属离子束流强0～250mA，脉冲频率10-50Hz可调。

3.离子束溅射源(5)

技术指标：引出电压2-20KV，束流强度400mA。

4.溅射靶(6)为水冷式结构，靶材由单种金属材料或多种材料组合制成。

实现本发明材料表面改性实施例如下：

1.金属离子增强沉积膜

在玻璃或铜基体材料上，铝离子增强沉积铝膜。金属离子注入源：固体阴极纯铝制成，引出电压40-50KV，抑制电压3KV，触发电压200V，脉冲频率50Hz。离子溅射源：引出电压3KV，氩离子束流强度200mA，溅射靶材为纯铝，沉积率2/s。沉积膜厚1000～5000，结合强度大于0.3MPa。

在变更金属离子束和金属沉积原子束种类时，形成不同成分组成的金属离子增强沉积膜，如铝离子增强沉积铜铝合金膜，钼离子增强沉积钼铝合金膜等。

2.复合超硬膜

离子溅射源：引出电压5KV，氩离子束流强250mA，溅射靶为纯钛，沉积率1/s。

a)离子注入源中通入氮气、引出电压50KV，抑制电压2.2KV，触发电压150V，频率50Hz。形成TiN膜，硬度Hk2000～2400。

离子注入源中，固体阴极分别由石墨碳和金属铪组合。

b)同时进行氮离子和碳离子束增强沉积，氮离子束参数同上，石墨碳触发电压220V，气体和固体触发脉冲起始间隔300μs。形成Ti(C.N)过滤膜层。

c)停止氮离子注入系统，进行碳离子增强沉积，参数为引出电压50KV，抑制电压2.5KV，触发电压200V，脉冲频率50Hz，形成TiC膜层，硬度Hk3000～3200。

d)同时触发碳和铪，进行碳—铪离子增强沉积，引出电压60KV，抑制电压3KV，触发电压200V，脉冲频率50Hz，形成(Ti、Hf)C膜层，膜层硬度Hk3800～4000。

通过上述工艺过程，形成过渡区200～300的高结合强渡的TiN/Ti(NC)/TiC(Ti·Hf)C复合多层超硬膜。