CN107142463A

CN107142463A - 一种等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法

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Publication number: CN107142463A
Application number: CN201710288933.9A
Authority: CN
Inventors: 莫强强
Original assignee: Huzhou Jinxiang Polytron Technologies Inc
Current assignee: Huzhou Jinxiang Polytron Technologies Inc
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2017-09-08
Anticipated expiration: 2037-04-27
Also published as: CN107142463B

Abstract

本发明涉及新材料和现代表面技术领域。尤其涉及一种等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法。在阴极与阳极之间施加电压，使反应气体或惰性气体发生辉光放电，产生由电子和离子构成的等离子体。其中电子的运动受到正交电场和磁场的束缚，局限在一定区域呈旋轮漂移运动，增大了电子与气体原子的碰撞几率，从而提高气体的离化率；而离子在阴极与阳极电势差以及交叉电磁场所形成霍尔电流的共同作用下，从阴极的开口处束引出，直接沉积到基材表面，形成所需要的薄膜。这项复合表面技术的一个重要用途，就是用来制备优质类金刚石碳膜。该膜因具有优异的性能而具有很大的使用价值。

Description

一种等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法

技术领域

本发明涉及新材料和现代表面技术领域。尤其涉及一种等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法。

背景技术

等离子体化学气相沉积（PCVD）或称等离子体增强化学气相沉积（PECVD），是除热能外还借助外部所加电场的激励或激发作用引起气体放电，使气体成为等离子体状态，促进化学反应，从而在基材表面形成薄膜的一类化学气相沉积技术。PCVD法可使基材温度降低很多，避免基材因高温而引起的变形或内部结构变化，并且有利于化学反应的进行，使通常难于发生的反应变为可能，从而开发出各种组成比的新材料。PVCD的最重要应用，除沉积氮化硅、氧化硅、硅的氮氧化物一类的绝缘薄膜外，还用来制备金刚石薄膜、类金刚石碳膜等高性能薄膜以及一些重要的纳米材料，在电子、机械、光学、航空、医疗等领域中取得广泛的应用。

PVCD法除了按加给反应室电力的方式可分为直流法、射频法和微波法三种外，还有同时加电场和磁场的方法，为在磁场使用下增加电子寿命，有效维持放电，有时需在特别低压条件下进行放电。近十多年发展起来的线性离子源（LIS）技术是一种可以形成等离子体化学气相沉积的新方法，并且还有刻蚀、清洗、辅助沉积等功能。

磁控溅射技术具有沉积速率高、溅射过程中基材温升低以及操作单纯、工艺重复性好、镀膜种类多样、膜层质量高、容易实现精确控制和自动化生产等优点，故自20世纪八十年代起开始广泛用于各类薄膜的制备和工艺生产。近四十年来，磁控溅射技术不断改进和完善，开发出中频电源的孪生靶磁控溅射、非对称脉冲溅射、非平衡磁控溅射等新技术，从而进一步拓展了磁控溅射的应用领域，并且成为许多高新技术产业的核心技术。

离子镀技术实质上是一种等离子体增强的物理气相沉积，镀层致密，结合牢固，可在工件较低温度下得到良好的镀层，绕镀性也较好。常用的方法有阴极电弧离子镀、热电子增强电子束离子镀、空心阴极放电离子镀。其中阴极电弧离子镀是把真空弧光放电用于蒸发源的离子镀技术，它的电弧形式是在冷阴极表面上形成阴极电弧斑点，又称为多弧离子镀，具有结构简单、可以拼装、离化率高、入射能量大、可镀基材多等优点，从而获得广泛的应用，较为突出的应用是制备硬质薄膜。

附着力是镀层能否使用的基本参数之一。镀层成分不当，镀层与基材的热膨胀系数差异较大，镀覆工艺不合理，以及镀前基材预处理不良等因素，都使附着力显著降低，以至镀层出现剥落等现象而不能使用。因此，如何保证或提高镀层附着力，是镀膜技术中一个非常重要的问题。提高附着力的方法较多，在镀层与基材间难以结合的情况下，可通过与镀层、基材都能良好结合的“中间过渡层”来提高镀层的附着力。磁控溅射和离子镀可以镀覆各种纯金属、合金和化合物膜层，因而它经常被用来制备较为理想的中间过渡层。

综合运用两种或更多种表面技术的复合表面技术是表面技术的重要发展方向之一。随着材料要求的不断提高，单一的表面技术因有一定的局限性而往往不能满足需要。多年来人们已开发出一些复合表面技术，多种表面技术的优化组合取得了突出的效果，并且发现了一些重要的规律。复合表面技术还有另一层含义，就是指用于制备高性能复合膜层的现代表面技术，其既能保留原组成材料的主要特性，又通过复合效应获得原组分所不具备的优越性能。

发明内容

本发明要解决上述技术问题，从而提供一种等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

一种等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法，采用类金刚石碳膜的双系统镀覆装置进行镀覆；所述类金刚石碳膜的双系统镀覆装置具有真空室，真空室中安置有线性离子源、中频磁控溅射孪生靶和阴极电弧离子镀蒸发离化源三大部件；其中线性离子源与中频磁控溅射孪生靶复合，构成了镀覆含氢类金刚石碳膜的系统；阴极电弧离子镀与中频磁控溅射孪生靶复合，构成了镀覆不含氢类金刚石碳膜的系统；该装置除上述三个主要部件外，同时配备有抽气、加热、充气、控制部件。

作为优选，在同一真空室内，用磁控溅射或离子镀技术制备合适的中间过渡层，然后用线性离子源进行等离子体化学气相沉积法制备高性能类金刚石碳膜。

作为优选，以YT15硬质合金为基材，工艺流程依次为工件的预处理、镀膜前的准备工作、抽真空、加热和轰击清洗、制备中间过渡层、镀覆类金刚石碳膜、冷却和工件取出。

作为优选，对于YT15等硬质合金的基材，用中频铬孪生靶磁控溅射制备的铬/氮化铬复合膜是在硬质合金基体上镀覆类金刚石碳膜的一种合适的中间过渡层。

作为优选，在工件形状较为复杂、要求缩短沉积时间以及采用磁控溅射方法不易制备合适的中间过渡层情况下，采用离子镀技术制备中间过渡层；具体为采用阴极电弧离子镀技术，通过加强的冷却、施加脉冲电流以及颗粒与等离子体分离的方法来抑制颗粒的发射。

一种等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法，即在同一真空室内安置了线性离子源、中频磁控溅射孪生靶和阴极电弧离子镀蒸发离化源（多弧靶）三类部件，其中线性离子源用于等离子体化学气相沉积，而磁控溅射和阴极电弧离子镀用来制备合适的中间过渡层。这项复合表面技术的一个重要用途，就是用来制备优质类金刚石碳膜。该膜因具有优异的性能而具有很大的使用价值，但其硬度很高，表面光滑，此外还有一些特殊的结构和性能，故许多金属、陶瓷等基材难以与它结合，并且在沉积过程中随厚度增加内应力将显著增大，达到一定数值后便会自行脱落。因此，在制备类金刚石碳膜时，正确设计或合理选择中间过渡层，并且采用磁控溅射或离子镀技术镀覆中间过渡层，就显得十分重要。在制备合适的中间过渡层后，可用线性离子源（LIS）镀覆DLC膜。图1为LIS装置的示意图：在阴极与阳极之间施加电压，使反应气体或惰性气体发生辉光放电，产生由电子和离子构成的等离子体。其中电子的运动受到正交电场和磁场的束缚，局限在一定区域呈旋轮漂移运动，增大了电子与气体原子的碰撞几率，从而提高气体的离化率；而离子在阴极与阳极电势差以及交叉电磁场所形成霍尔电流的共同作用下，从阴极的开口处束引出，直接沉积到基材表面，形成所需要的薄膜。虽然它的镀膜原理类似磁控溅射的辉光放电和带电粒子在电磁场中的运动，但其若直接在基材表面沉积成膜，实质上是一种等离子体化学气相沉积。

附图说明

图1为线性离子源（LIS）结构示意图。

图中，11-离子束，12-磁力线，13-等离子体，21-阴极，22-阳极，23-永久磁铁，24-铜背板，25-气体输送管，26-水循环。

具体实施方式

以YT15硬质合金刀具镀覆含氢DLC的工艺为例，说明一种等离子体化学气相沉积与中频孪生靶磁控溅射复合表面技术的具体实施方式和效果。

YT15表示含TiC15%，其他为WC和Co的钨钴钛类硬质合金。

工艺流程为：工件的预处理→ 镀膜前的准备工作→ 抽真空→ 加热和轰击清洗→ 制备中间过渡层→ 镀覆DLC膜→ 冷却和工件取出。

工件的预处理包括以下四道工序：（1）超声波清洗，即在配制的金属清洗液中利用超声波进行脱脂和清洗；（2）酸洗，以中和超声波清洗时残存的碱液和起到活化处理的作用；（3）漂洗，即采用去离子纯净水或蒸馏水除掉残存杂质；（4）烘干，将工件放进烘箱进行100℃-1h加热保温，除尽水分。

镀膜前的准备工作包括：（1）检查水、气、压缩空气有无泄漏处，接通电源，等待电脑开机，打开程序；（2）打开真空室门，关闭截流阀，用吸尘器除去室内粉尘，做好清洁工作；（3）打开线性离子源挡板，依次清洁两个线性离子源；（4）设定旋转频率，检测工件架，其与地之间的绝缘必须良好，负偏压电源与转架的接触点必须接触良好；（5）检查中频磁控溅射孪生靶和离子镀蒸发离化源，后者引弧针要能恰好碰到阴极表面，并确保蒸发离子化源安装正确，绝缘良好；（6）上述工作完成后，将工件（或预先放置工件的工件架）放入真空室内，关闭挡板（或屏蔽门），擦净真空室门及其密封圈后关上真空室门。

在抽气阶段，先粗抽，当真空度达500Pa时开罗茨泵。当真空度到达5Pa以下开分子泵且分子泵升速完成时，关粗抽阀，开精抽阀，同时关罗茨泵，等1分钟后关粗抽泵，抽气要求达到真空度6×10^-3Pa 。

在粗抽时就开启加热按钮，加热至160℃，真空室壁吸附的气体会释放出来，通过加热和不断的抽气，使室内保持所要求的真空度和温度。向真空室内充入适量的氩气，清洗线性离子源，然后打开离子源挡板，在离子源阴阳极之间施加电压，发生辉光放电，产生等离子体，再加偏压，使引出的离子束高速向基材表面轰击，用时2分钟，除去基材表面的杂质原子。

加热和轰击清洗后，关闭离子源挡板和离子源电源，真空度控制在5.5×10^-1Pa左右。开启中频电源的按钮，使装有构成孪生靶的两个铬靶通电，按设定的溅射电流、电压和溅射时间制备铬膜。然后调节高纯氩气流量，充入高纯氮气，以一定比例混合两种气体，在镀铬层表面镀覆氮化铬，其溅射电流、电压和溅射时间均按要求给以设定和操作。

在制备铬/氮化铬中间过渡层完成后，关闭氩气和氮气输入，关闭中频电源（铬孪生靶的屏蔽罩随之封闭），同时关闭偏压电源。然后，通入适量的高纯乙炔气体，形成一定比例的乙炔与氩气的混合气体，开启线性离子源电源和偏压电源，各达到所要求的电压、电流值，真空度控制在5.5×10^-1Pa左右，沉积时间60分钟。使基材的铬/氮化铬中间过渡层表面获得一定厚度的含氢类金刚石膜。

在镀膜工序完成后，关闭加热器、离子源、偏压和抽气系统的电源，工件必须在真空下冷却，真空室内温度要降到120℃以下才能通入空气，开门和取出工件。

阴极电弧离子镀具有绕镀性好、沉积速度快和镀膜种类多等特点，因此在工件形状较为复杂、要求缩短沉积时间以及采用磁控溅射方法不易制备合适的中间过渡层等情况下可考虑采用离子镀技术进行镀覆。如采用简便易行的阴极电弧离子镀技术，必须通过加强多弧靶的冷却、施加脉冲电流以及颗粒与等离子体分离的方法来抑制颗粒的发射。

经检测，采用本发明的复合表面技术，在硬质合金基材上制备得到的类金刚石碳膜，具有下列基本性能，（1）D峰强度I_D与G峰强度I_G之比为1.72，虽然YT15硬质合金中含有较多的钴而对SP³键的生成不利，但通过铬/氮化铬中间过渡层的制备，降低了钴的影响程度；（2）用台阶仪测得的平均粗糙度在100nm以下，表明其表面较为光滑；（3）用划痕仪测得的Lc2为32~40N，L2（N）是表征薄膜与基材结合强度的一个指标，对应于薄膜在加载载荷的作用下裂纹大量扩展且薄膜发生少量剥落时的载荷；（4）用球坑仪和工具显微镜测得平均膜层厚度为1.25µm；（5）用销盘摩擦磨损仪测定摩擦因数与时间的关系曲线，平均摩擦因数为0.079。

Claims

1.一种等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法，其特征在于采用类金刚石碳膜的双系统镀覆装置进行镀覆；所述类金刚石碳膜的双系统镀覆装置具有真空室，真空室中安置有线性离子源、中频磁控溅射孪生靶和阴极电弧离子镀蒸发离化源三大部件；其中线性离子源与中频磁控溅射孪生靶复合，构成了镀覆含氢类金刚石碳膜的系统；阴极电弧离子镀与中频磁控溅射孪生靶复合，构成了镀覆不含氢类金刚石碳膜的系统；该装置除上述三个主要部件外，同时配备有抽气、加热、充气、控制部件。

2.如权利要求1所述的一种等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法，其特征在于：在同一真空室内，用磁控溅射或离子镀技术制备合适的中间过渡层，然后用线性离子源进行等离子体化学气相沉积法制备高性能类金刚石碳膜。

3.如权利要求2所述的等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法，其特征在于：以YT15硬质合金为基材，工艺流程依次为工件的预处理、镀膜前的准备工作、抽真空、加热和轰击清洗、制备中间过渡层、镀覆类金刚石碳膜、冷却和工件取出。

4.如权利要求2所述的等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法，其特征在于：对于YT15等硬质合金的基材，用中频铬孪生靶磁控溅射制备的铬/氮化铬复合膜是在硬质合金基体上镀覆类金刚石碳膜的一种合适的中间过渡层。

5.如权利要求2所述的等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法，其特征在于：在工件形状较为复杂、要求缩短沉积时间以及采用磁控溅射方法不易制备合适的中间过渡层情况下，采用离子镀技术制备中间过渡层；具体为采用阴极电弧离子镀技术，通过加强的冷却、施加脉冲电流以及颗粒与等离子体分离的方法来抑制颗粒的发射。