一种低内应力高硬度的DLC/a‑CNx纳米多层膜的制备方法技术

一种低内应力高硬度的DLC/a‑CNx纳米多层膜的制备方法，所述方法按如下步骤进行：(1)将单晶硅片基体放入氢氟酸溶液中进行清洗，再分别用丙酮和无水乙醇清洗，使其表面清洁，粗糙度不高于Ra 0.1；(2)将石墨靶和前处理后的单晶硅片基体装入多靶磁控溅射沉积室，调整靶基距为60～80mm，将沉积室内的气压抽至1.5×10

【技术实现步骤摘要】
一种低内应力高硬度的DLC/a-CNx纳米多层膜的制备方法
本专利技术涉及一种磁控溅射耐磨薄膜材料的制备方法，特别是一种基于类金刚石碳(DLC)和非晶氮化碳(a-CNx)组成的纳米多层膜，属于材料摩擦磨损领域。
技术介绍
DLC膜的性能严重依赖于制备技术，其硬度绝大多数分布在12～50GPa范围内。由于其硬度高、在大气中的摩擦系数低以及耐磨性能良好等优点，可被应用于机械、电子、医用、航空航天等领域。目前，制备DLC膜的方法主要有脉冲激光沉积、化学气相沉积和磁控溅射沉积等。脉冲激光沉积和化学气相沉积的DLC膜通常致密化程度高、sp3C含量高，具有很高的硬度；而磁控溅射沉积的DLC膜，sp3C含量和硬度则相对要低一些。然而这些薄膜都具有极高的内应力(2～17GPa)，膜-基结合力低(≤30N)，易出现薄膜从基体上剥落等缺点，实际应用受到较大制约。目前，降低DLC薄膜内应力的方法有过渡层法和掺杂法。过渡层法通过改变DLC膜与基体的界面特性使薄膜内应力降低，如专利(申请号CN201410587946.2)公开一种在基材表面制备DLC薄膜的方法，薄膜从下至上依次由金属过渡层、金属氮化物过渡层、DLC应力释放层和DLC疏水层组成，薄膜的残余应力降至-0.98GPa，膜-基结合力达到35N以上。掺杂法则在DLC膜内以单质或者化合物形式掺入一种或多种元素，如掺入H、B、Si、Ti、Cr等。聂朝胤等人(《材料热处理学报》，2008，29:147-151)在研究非平衡磁控溅射Ti掺杂类金刚石薄膜时发现，Ti掺杂导致DLC膜硬度从28.7GPa降至20.4GPa(最低到达17GPa)，膜-基结合力则从8.2N提高至14.1N，摩擦因数约为0.2～0.24。GuoT等人(《AppliedSurfaceScience》,2017,410:51-59)在研究反应溅射法制备Ti、Al掺杂DLC时发现，随着掺杂量的增加，薄膜硬度和弹性模量先减小后略有回升，硬度降至12.1～19.3GPa，残余应力变化趋势与硬度相同，多数位于1.2～2.39GPa。LizaS等人(《ScienceandTechnologyofAdvancedMaterials》，2017，18:76-87)在研究纯DLC膜掺B时发现，随着掺B量的增加，薄膜硬度从纯DLC膜的13.6GPa持续降低至8.1GPa。DaiW等人(《DiamondandRelatedMaterials》，2016，70:98-104)在DLC膜中掺Al、Cr和S时发现，随着掺入量的增加，薄膜硬度由14.2GPa降至12.4GPa，残余应力由1.4GPa降至0.8GPa。SunL等人(《DiamondandRelatedMaterials》，2016，68:1-9)在研究DLC膜内掺Cu、Cr时发现，随着膜内Cu、Cr含量逐渐增加，薄膜硬度由22GPa降至10GPa，薄膜应力由2.46GPa减小至0.89GPa，随后又增加至2.12GPa。专利(申请号CN201410191897.0)公开了一种低应力、耐腐蚀多层类金刚石(DLC)薄膜的沉积方法，交替采用真空阴极弧源沉积和等离子体增强化学气相沉积方法在工件表面交替沉积不含氢和含氢的类金刚石薄膜，所得薄膜硬度约为22.5GPa，介于不含氢DLC膜(约26GPa)和含氢DLC膜(约12GPa)之间，内应力约为7GPa，介于不含氢DLC膜(约13GPa)和含氢DLC膜(约2GPa)之间。综上可知，采用过渡层法制备的DLC膜，其残余应力仍接近于1GPa，且制备工艺较为复杂，因此需寻找更为合适的过渡层；而有关掺杂法制备的DLC薄膜，元素掺杂使薄膜的内应力显著降低，但内应依旧比较高，硬度和耐磨性能往往明显降低，且元素掺杂大多工艺条件苛刻、制备过程繁杂、成本较高，不利于实际应用。本专利技术巧妙地将a-CNx膜和DLC膜相结合，构筑出一种基于a-CNx膜和DLC膜的全新多层膜体系，也即DLC/a-CNx纳米多层膜。该薄膜既克服了DLC膜高内应力的缺点，也拥有了更高硬度、更好的膜-基结合力、在大气和真空环境中低摩擦因数和高耐磨性的优点。本专利技术所述制备方法，具有靶材用量少、制备简便、成本低廉、界面强化效应显著、层间结合牢固等特点，可广泛应用于要求低摩擦、高耐磨、高耐蚀的零部件表面，应用前景良好。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种低内应力高硬度DLC/a-CNx纳米多层膜的磁控溅射制备方法，通过控制薄膜沉积条件和多层结构特征，在基体上交替沉积DLC膜和a-CNx膜，从而实现DLC膜和a-CNx膜的良好结合、薄膜内应力的降低以及强烈的界面强化效应，获得具有优异性能的纳米多层膜；该方法制得的DLC/a-CNx纳米多层膜硬度和弹性模量高，内应力低，与基材结合良好，且在大气和真空中均能保持低摩擦因数与低磨损率，摩擦学性能优异。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种DLC/a-CNx纳米多层膜的制备方法，所述方法按如下步骤进行：(1)基体预处理：将单晶硅片基体放入氢氟酸溶液中进行清洗，再分别用丙酮和无水乙醇清洗，使其表面清洁，粗糙度不高于Ra0.1；(2)实验准备：将石墨靶和前处理后的单晶硅片基体装入多靶磁控溅射沉积室，调整靶基距为60～80mm，将沉积室内的气压抽至1.5×10-3Pa以下，调整基体温度为100～250℃；(3)DLC/a-CNx纳米多层膜的制备：控制基体在石墨靶上方的周期性停留时间，在交替切换的沉积气氛中，于基体表面逐层交替沉积一定厚度的DLC膜和a-CNx膜，实现最底层为DLC膜、最上层为a-CNx膜的纳米多层结构，其中每层DLC膜的厚度为3～15nm，每层CNx膜的厚度为0.5～2.0nm，交替沉积的周期个数为40～120个，冷却后获得DLC/a-CNx纳米多层膜。DLC/a-CNx纳米多层膜的总厚度可根据需要通过交替沉积的周期个数进行调整。本专利技术步骤(2)中，所述的靶基距为60～80mm，优选70mm。基体温度为100～250℃，优选200℃。本专利技术步骤(3)中，每层DLC膜的厚度为3～15nm，每层CNx膜的厚度为0.5～2.0nm。优选每层DLC膜的厚度为10nm，每层CNx膜的厚度为0.5～1.5nm。最优选每层DLC膜的厚度为10nm，每层CNx膜的厚度为0.5nm。交替沉积的周期个数为40～120个，优选交替沉积的周期个数为56～62个。本专利技术步骤(3)中，所述交替切换的沉积气氛，即沉积DLC膜以高纯Ar为工作气体，沉积a-CNx膜以高纯Ar和高纯N2混合气为工作气体，高纯Ar和高纯N2的流量比优选为4:1。本专利技术步骤(3)中，沉积DLC膜时，石墨靶功率为40～100W，负偏压为40～120V，沉积气压为0.2～0.8Pa。优选的工作参数为：石墨靶功率为65W，负偏压为50V，沉积气压为0.6Pa。本领域技术人员可以通过基体在石墨靶上方的停留时间控制DLC膜厚度。本专利技术步骤(3)中，沉积a-CNx膜时，石墨靶功率为60～120W，负偏压为40～120V，沉积气压为0.5～0.8Pa。优选的工作参数为：石墨靶功率为75W，负偏压为50V，沉积气压为0.6Pa。本领域技术人员可以通过基体在石墨靶上方的停留时间控制a-CNx膜厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种DLC/a‑CNx纳米多层膜的制备方法，所述方法按如下步骤进行：(1)基体预处理：将单晶硅片基体放入氢氟酸溶液中进行清洗，再分别用丙酮和无水乙醇清洗，使其表面清洁，粗糙度不高于Ra 0.1；(2)实验准备：将石墨靶和前处理后的单晶硅片基体装入多靶磁控溅射沉积室，调整靶基距为60～80mm，将沉积室内的气压抽至1.5×10

【技术特征摘要】
1.一种DLC/a-CNx纳米多层膜的制备方法，所述方法按如下步骤进行：(1)基体预处理：将单晶硅片基体放入氢氟酸溶液中进行清洗，再分别用丙酮和无水乙醇清洗，使其表面清洁，粗糙度不高于Ra0.1；(2)实验准备：将石墨靶和前处理后的单晶硅片基体装入多靶磁控溅射沉积室，调整靶基距为60～80mm，将沉积室内的气压抽至1.5×10-3Pa以下，调整基体温度为100～250℃；(3)DLC/a-CNx纳米多层膜的制备：控制基体在石墨靶上方的周期性停留时间，在交替切换的沉积气氛中，于基体表面逐层交替沉积一定厚度的DLC膜和a-CNx膜，实现最底层为DLC膜、最上层为a-CNx膜的纳米多层结构，其中每层DLC膜的厚度为3～15nm，每层CNx膜的厚度为0.5～2.0nm，交替沉积的周期个数为40～120个，冷却后获得DLC/a-CNx纳米多层膜。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的靶基距为70mm，基体温度为200℃。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，每层DLC膜的厚度为10nm，每层CNx膜的厚度为0.5～1.5nm。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，每层DLC膜的厚度为10nm，每层CNx膜的厚度为0.5nm。5.如权利要求1或2...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨芳儿，常新新，郑晓华，林玲玲，龚润泽，王贵葱，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33