一种低温沉积硬度可控的类金刚石复合薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种低温沉积硬度可控的类金刚石复合薄膜的方法。该方法采用中频磁控溅射技术与等离子体增强化学气相沉积技术，在金属基材及硅片上，通过调节偏压低温制备了不同硬度的类金刚石复合薄膜。复合薄膜由基底起包括纯金属钛过渡层，碳化钛过渡层及类金刚石涂层。该类金刚石复合薄膜沉积温度低，硬度可控，表面光滑，与基底结合紧密，具有优良的减摩耐磨性能。

A method of low temperature deposition of diamond like carbon composite films with controllable hardness

The invention discloses a method for depositing diamond-like composite films with controllable hardness at low temperature. Diamond-like carbon (DLC) composite films with different hardness were prepared on metal substrates and silicon wafers by intermediate frequency magnetron sputtering and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The composite film consists of pure titanium transition layer, titanium carbide transition layer and diamond-like carbon coating from the substrate. This kind of diamond composite film has the advantages of low deposition temperature, controllable hardness, smooth surface, close bond with substrate, and excellent friction and wear resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种低温沉积硬度可控的类金刚石复合薄膜的方法
本专利技术属于新材料无机合成
，具体涉及一种低温沉积硬度可控的类金刚石复合薄膜的方法。
技术介绍
类金刚石薄膜的结构介于金刚石和石墨之间，使其具有高的硬度、优异的减摩抗磨性能、高的热导率、良好的光学透明性、低的介电常数以及优异的化学惰性和生物相容性等，可广泛用于机械、电子、光学、热学、生物医学等领域，具有广泛的应用前景。目前，类金刚石薄膜的制备方法主要以气相沉积技术为主。为获得内应力低，结合力良好且厚度较厚的类金刚石薄膜，采用现有的气相沉积技术制备的类金刚石复合薄膜过渡层多，制备工艺复杂，温度高，耗时耗能。中国专利技术专利CN102658684A公开了一种类金刚石薄膜制备的方法。该方法制备了基体渗氮层，铬扩散过渡层，碳、氮的富铬混合层及类金刚石层，复合薄膜的最大厚度为3.1μm。中国专利技术专利CN106521493A公开了一种梯度结构类金刚石薄膜及其制备方法。该方法制备了纯金属层、第一梯度过渡层、金属氮化物层、第二梯度过渡层、碳化钨层、第三梯度过渡层以及表面类金刚石薄膜层。以上两种类金刚石复合薄膜的制备方法过渡层多，制备工艺复杂，对于设备要求高，耗能大。同时由于制备的温度过高易导致类金刚石薄膜结构由无定形碳结构向纳米晶石墨结构转变，降低薄膜的硬度，限制薄膜的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服以上类金刚石薄膜性能及制备方法上存在的问题，提供一种低温沉积硬度可控的类金刚石复合薄膜的方法及产品，该方法设备简单，沉积温度低，省时节能，成膜均匀，重复性好。用这种方法制得的薄膜均匀致密，表面光滑，与基底结合力强，摩擦系数与磨损率低，硬度可控。本专利技术采用中频磁控溅射技术与等离子体增强化学气相沉积技术，通过改变脉冲偏压电源参数，控制沉积温度，在金属基材及硅片上制备了具有不同硬度的类金刚石复合薄膜，该薄膜在需要不同减摩耐磨性能要求的零部件上具有潜在的应用价值。本专利技术具体通过以下技术方案实现。一种低温沉积硬度可控的类金刚石复合薄膜的方法，包括以下步骤：（1）将基底超声清洗，然后转移至真空室，固定于样品行星架上，样品行星架与负偏压电源相连，再将真空室抽真空；（2）往真空室中通入氩气，真空度保持在0.1-1Pa，开启离子源电源，在脉冲负偏压300-800V，占空比20-50%条件下进行等离子体清洗，用以去除基底表面残留的污染物与杂质；（3）开启中频磁控溅射电源及相应的钛靶，改变氩气流量，真空度保持在0.3-1Pa，在脉冲负偏压150-400V，占空比为30-50%，温度为28-32℃，沉积第一层纯金属钛过渡层，沉积时间为10-30min；（4）往真空室中通入乙炔与氩气，真空度保持在0.5-0.8Pa，在脉冲负偏压100-300V，占空比10-30%，温度为32-37℃，沉积第二层碳化钛过渡层,沉积时间为10-30min；（5）关闭中频磁控溅射电源，脉冲偏压电源及相应钛靶，通入乙炔及氢气，真空度保持在10-15Pa，开启单极脉冲偏压电源，占空比为10-40%，脉冲负偏压为1000-3000V，温度为37-80℃，制备第三层类金刚石薄膜,沉积时间为60-180min，得类金刚石复合薄膜。优选的，步骤（1）所述基底为金属基材及硅片。优选的，步骤（1）所述超声清洗是在无水乙醇中超声清洗30min。优选的，步骤（1）所述抽真空是直至真空室室内真空度达到1.0Í10-3Pa。优选的，步骤（2）所述等离子体清洗的时间为15-30min。优选的，步骤（3）所述第一层纯金属钛过渡层的厚度为0.1-0.4μm。优选的，步骤（4）所述第二层碳化钛过渡层的厚度为0.2-0.6μm。优选的，步骤（4）所述乙炔与氩气的体积比为2:1。优选的，步骤（5）所述乙炔及氢气的体积比为4:1。优选的，步骤（5）所述第三层类金刚石薄膜的厚度为4.5-5.5μm。由以上所述的方法制得的类金刚石复合薄膜，该类金刚石复合薄膜由三层组成，从基底起分别为：0.1-0.4μm厚的纯金属钛过渡层，0.2-0.6μm厚的碳化钛过渡层和4.5-5.5μm厚的类金刚石薄膜。复合薄膜表面光滑，表面粗糙度Ra为10-15nm，硬度为8-16GPa。优选的，所述类金刚石复合薄膜与基底的结合力为43-56N。本专利技术所制备的类金刚石复合薄膜用拉曼光谱表征其结构，场发射扫描电子显微镜观察其断面形貌，纳米压痕仪表征其硬度，摩擦磨损试验仪表征其摩擦磨损性能。结果表明,在金属基材和硅片上成功制备了类金刚石复合薄膜。不同偏压制备的复合薄膜的硬度可控，其范围为8-16GPa，膜基结合力为43-56N，都具有良好的减摩耐磨性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：（1）本专利技术沉积过渡层时采用中频磁控溅射技术，避免了磁控靶靶中毒现象，沉积温度低，膜层致密光滑，避免了多弧离子镀技术导致的膜层颗粒多，表面粗糙和沉积温度变化大等问题。沉积类金刚石薄膜采用等离子增强化学气相沉积技术，该技术具有沉积温度低、绕射性好、环保零污染，符合绿色制造，可持续发展的要求。充分发挥中频磁控溅射技术与等离子体增强化学气相沉积技术的优势使得类金刚石复合薄膜沉积温度低，可控制在37-80℃之间。低温沉积避免类金刚石薄膜由无定形碳结构向纳米晶石墨结构转变。（2）本专利技术通过改变制备类金刚石薄膜的脉冲偏压，控制薄膜的硬度。相应脉冲偏压调节范围为1000V-3000V，对应的薄膜硬度为8-16GPa，而且各偏压条件下制备的类金刚石复合薄膜厚度厚，内应力小，结合力强。根据零部件性能需要选择脉冲偏压沉积满足其硬度要求的类金刚石复合薄膜，增强零部件服役寿命。相比于现有薄膜制备工艺的单一性，本专利技术制备的类金刚石复合薄膜实际应用范围更广，选择性更多。附图说明图1是本专利技术实施例2中制备的类金刚石复合薄膜的拉曼光谱图；图2是本专利技术实施例2中制备的类金刚石复合薄膜的断面形貌SEM图；图3是本专利技术实施例2中制备的类金刚石复合薄膜的压入深度与载荷关系曲线图。具体实施方式以下结合实例与附图对本专利技术的实施作进一步的说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1：一种类金刚石复合薄膜由三层组成，从基底起分别为：0.1μm厚的纯金属钛过渡层，0.2μm厚的碳化钛过渡层和4.5μm厚的类金刚石薄膜。一种类金刚石复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1将TC4钛合金基材（20mmÍ40mmÍ2mm）置于无水乙醇中超声清洗30min，然后转移至真空室，固定于样品行星架上，样品行星架与负偏压电源相连；抽真空直至真空室室内真空度达到1.0Í10-3Pa；步骤2通入氩气，真空保持在0.1Pa，开启离子源电源，在脉冲负偏压300V，占空比20%条件下进行等离子体清洗，用以去除基底表面残留的污染物与杂质，处理时间15min；步骤3开启中频磁控溅射电源及相应的钛靶，改变氩气流量，真空保持在0.3Pa，在脉冲负偏压150V，占空比为30%条件下沉积第一层纯金属钛过渡层，沉积时间10min，沉积温度为28℃；步骤4通入乙炔与氩气，体积比为2:1，真空保持在0.5Pa，在脉冲负偏压100V，占空比10%下沉积第二层碳化钛过渡层,沉积时间10min，沉积温度为32℃；步骤5关闭中频磁控溅射电源，脉冲偏压电源及相应的钛靶，通入乙炔及氢气，体积本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温沉积硬度可控的类金刚石复合薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将基底超声清洗，然后转移至真空室，固定于样品行星架上，样品行星架与负偏压电源相连，再将真空室抽真空；（2）往真空室中通入氩气，真空度保持在0.1‑1 Pa，开启离子源电源，在脉冲负偏压300‑800 V，占空比20‑50 %条件下进行等离子体清洗，用以去除基底表面残留的污染物与杂质；（3）开启中频磁控溅射电源及相应的钛靶，改变氩气流量，真空度保持在0.3‑1 Pa，在脉冲负偏压150‑400 V，占空比为30‑50 %，温度为28‑32℃，沉积第一层纯金属钛过渡层，沉积时间为10‑30 min；（4）往真空室中通入乙炔与氩气，真空度保持在0.5‑0.8 Pa，在脉冲负偏压100‑300 V，占空比10‑30 %，温度为32‑37℃，沉积第二层碳化钛过渡层, 沉积时间为10‑30 min；（5）关闭中频磁控溅射电源，脉冲偏压电源及相应钛靶，通入乙炔及氢气，真空度保持在10‑15 Pa，开启单极脉冲偏压电源，占空比为10‑40 %，脉冲负偏压为1000‑3000 V，温度为37‑80 ℃，制备第三层类金刚石薄膜, 沉积时间为60‑180 min，得类金刚石复合薄膜。...

【技术特征摘要】
1.一种低温沉积硬度可控的类金刚石复合薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将基底超声清洗，然后转移至真空室，固定于样品行星架上，样品行星架与负偏压电源相连，再将真空室抽真空；（2）往真空室中通入氩气，真空度保持在0.1-1Pa，开启离子源电源，在脉冲负偏压300-800V，占空比20-50%条件下进行等离子体清洗，用以去除基底表面残留的污染物与杂质；（3）开启中频磁控溅射电源及相应的钛靶，改变氩气流量，真空度保持在0.3-1Pa，在脉冲负偏压150-400V，占空比为30-50%，温度为28-32℃，沉积第一层纯金属钛过渡层，沉积时间为10-30min；（4）往真空室中通入乙炔与氩气，真空度保持在0.5-0.8Pa，在脉冲负偏压100-300V，占空比10-30%，温度为32-37℃，沉积第二层碳化钛过渡层,沉积时间为10-30min；（5）关闭中频磁控溅射电源，脉冲偏压电源及相应钛靶，通入乙炔及氢气，真空度保持在10-15Pa，开启单极脉冲偏压电源，占空比为10-40%，脉冲负偏压为1000-3000V，温度为37-80℃，制备第三层类金刚石薄膜,沉积时间为60-180min，得类金刚石复合薄膜。2.根据权利要求书1所述的一种低温沉积硬度可控的类金刚石复合薄膜的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏峰华，陈国富，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44