CN107857234B - 一种ecr离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法，利用ECR等离子体加工系统，通过调节掩模版的孔径尺寸及离子刻蚀时间，可实现表面织构的参数调控。利用共聚焦显微镜对织构形貌进行表征可发现，织构直径为10～120μm可调，且深度与刻蚀时间成正相关，刻蚀速率为1nm/min，加工后样品的摩擦磨损性能获得大幅度提高，便于实现表面织构的加工并精确控制织构尺寸。

Description

一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法
技术领域
本发明属于表面织构制备领域，具体涉及一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法。
背景技术
随着纳米科技的发展，磁记录存储系统和微机电系统以及航空航天领域等都对降低接触面的摩擦系数和提高磨损寿命提出了越来越高的要求。表面的织构化已经作为一种有效的方式应用于硬盘和轴承等领域
通过在轴承表面加工织构可以有效的提高轴承的工作寿命并降低摩擦系数。同时很多仿生学研究发现，表面织构的存在可以有效的改变材料表面的亲疏水特性及光吸收特性等。织构尺寸对这些性能起到了十分关键的作用，不同织构的深度及形状大小对摩擦系数及磨损寿命都有十分显著的影响。综上，提出一种有效加工并控制织构尺寸的技术具有十分重要的应用价值和意义。
现有的加工表面织构的办法主要有机械加工，激光加工，和离子刻蚀等方法。其中机械加工精度很低，且织构尺寸较大，不能够满足越来越小的织构尺寸需求。而激光加工方法加工精度约100～500μm，但存在损伤表面及熔融物的表面堆积问题。熔融物的堆积导致了织构的深度较难控制且表面化学性质可能会发生变化。相比之下，离子刻蚀加工精度较高，无表面损伤，无加工升温的影响，因此在织构的加工方面存在巨大的潜力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法，利用电子回旋共振(Electron CyclotronResonance，ECR)等离子体加工系统对已沉积的碳膜进行表面织构的加工，制备的织构化碳膜有较低的摩擦系数及较长的磨损寿命。
本发明采用以下技术方案：
一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法，利用ECR等离子体加工系统对已沉积的碳膜进行表面织构加工，通过调节掩模版的孔径尺寸及离子刻蚀时间，实现表面织构的参数调控；利用共聚焦显微镜对织构形貌进行表征，确定织构的直径为10～120μm，以1nm/min的刻蚀速率制备摩擦系数在0.18～0.06，磨损寿命为10000圈以上的织构化碳膜。
进一步的，包括以下步骤：
S1、将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气，施加磁线圈电流及微波使腔体中的氩原子离化，产生等离子体，将等离子体溅射碳靶，并将碳原子沉积为碳膜；
S2、在碳膜上施加基片负偏压，等离子体腔体中的氩离子经加速后透过掩模版轰击样品表面，氩离子刻蚀碳膜表面从而实现样品的离子刻蚀；
S3、利用共聚焦显微镜对不同织构尺寸下的样品表面进行表征，确定刻蚀深度与刻蚀时间成正比关系，通过改变刻蚀的时间对织构的深度进行控制。
进一步的，步骤S1具体为：
S1.1、对等离子体腔体抽真空，当真空度达到2～4×10-4Pa后将氩气通入到等离子体腔体中，使等离子体腔体内的气压到达2～6×10-2Pa；
S1.2、通过施加350～450A的磁线圈电流及100～300W的微波使腔体中的氩原子离化，初始电子在磁场和微波的耦合作用下做回旋运动，得到氩等离子体；
S1.3、在碳靶加偏压后氩等离子体中氩原子轰击碳靶表面溅射出碳原子，在基片施加偏压后氩等离子体中电子辅助碳原子进行沉积，形成60～80nm厚度碳膜。
进一步的，步骤S2具体为：对步骤S1制备的碳膜基底施加-50～-100V负直流偏压，氩离子在电场加速作用下透过掩模版轰击样品表面进行离子刻蚀，透过离子的区域的碳膜会被氩离子刻蚀，而未透过氩离子的区域碳膜不会发生变化，从而在碳膜表面形成织构化。
进一步的，步骤S2中，刻蚀时间为10～60min，织构深度为10～60nm。
进一步的，步骤S2中，织构区域面积与基片总面积之比为19.6～20.0％。
进一步的，掩模版的材质为Cu，掩模版的孔径为10～120μm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供了一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法，利用ECR等离子体加工系统，通过调节掩模版的孔径尺寸及离子刻蚀时间，可实现表面织构的参数调控。利用共聚焦显微镜对织构形貌进行表征可发现，织构直径为10～120μm可调，且深度与刻蚀时间成正相关，刻蚀速率为1nm/min，加工后样品的摩擦磨损性能获得大幅度提高，便于实现表面织构的加工并精确控制织构尺寸。
进一步的，将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气，施加磁线圈电流及微波使腔体中的氩原子离化，产生等离子体，将等离子体溅射碳靶，并将碳原子沉积为碳膜；然后在碳膜上施加基片负偏压，等离子体腔体中的氩离子经加速后透过掩模版轰击样品表面，氩离子刻蚀碳膜表面从而实现样品的离子刻蚀，通过在样品表面安装掩模版，使用离子刻蚀在表面形成尺寸可控的织构，极大的提高了表面的摩擦学性能，具有重要的应用价值，摩擦系数由0.21降低至0.06，并且磨损寿命长较原先提升2个数量级。
进一步的，通过控制刻蚀时间可以加工10～60nm深度可控的织构，且织构尺寸与掩模版孔径相同，为10～60μm，相比于传统的激光加工手段，加工样品表面不存在熔融物的堆积，且不会损伤表面。
进一步的，织构区域面积比过大会导致碳膜整体强度的降低，而面积比例过低会导致织构化作用不明显。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明加工表面织构化碳膜的制备过程示意图，其中，(a)为ECR沉积碳膜方法示意图；(b)为后处理加工织构化表面过程示意图；
图2为本发明不同掩模版孔径下离子刻蚀得到的样品表面照片，其中，(a)为10μm直径下制备的样品表面图；(b)为60μm直径下制备的样品表面图；(c)为120μm直径下制备的样品表面图；
图3为本发明不同刻蚀时间与刻蚀深度的关系示意图；
图4为本发明加工前后碳膜表面拉曼表征图；
图5为本发明不同织构直径下样品的摩擦学特性对比图。
具体实施方式
本发明一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法，包括以下步骤：
S1、将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气，施加磁线圈电流及微波使腔体中的氩原子离化，产生等离子体，将等离子体溅射碳靶，并将碳原子沉积为碳膜，如图1a所示；
对等离子体腔体抽真空，当真空度达到2～4×10-4Pa后将氩气通入到等离子体腔体中，使等离子体腔体内的气压到达2～6×10-2Pa；
通过施加350～450A的磁线圈电流及100～300W的微波使腔体中的氩原子离化，初始电子在磁场和微波的耦合作用下做回旋运动，得到氩等离子体；
在碳靶加-300V偏压后氩等离子体中氩原子轰击碳靶表面溅射出碳原子，在基片施加+50V偏压后氩等离子体中电子辅助碳原子进行沉积，形成60～80nm厚度碳膜。
S2、在碳膜上施加基片负偏压，等离子体腔体中的氩离子经加速后透过掩模版轰击样品表面，氩离子刻蚀碳膜表面从而实现样品的离子刻蚀，通过选择不同孔径的过滤网及刻蚀时间对碳膜的表面织构进行控制，如图1b所示；
氩等离子刻蚀碳膜表面形成织构的具体过程为：
将样品基底施加-50～-100V负直流偏压，氩离子在电场加速作用下透过掩模版轰击样品表面进行离子刻蚀，由于掩模版的存在，透过离子的区域的碳膜会被氩离子刻蚀，而未透过氩离子的区域碳膜不会发生变化，从而形成织构化的表面；
其中，掩模版的材质为Cu，掩模版的孔径为10～120μm，碳膜的刻蚀速率为1nm/min，刻蚀时间为10～60min，织构深度为10～60nm；织构直径大小为10～120μm，等于掩模版孔径。
S3、利用共聚焦显微镜对不同织构尺寸下的样品表面进行表征
请参阅图2，首先，将制备的织构化碳膜在共聚焦显微镜镜下进行观察，可以观察到明显的织构阵列，织构类型为典型的坑状织构，图2a中织构直径为10μm，深度30nm；图2b中织构直径为60μm，深度30nm；图2c中织构直径为120μm，深度30nm；其中织构面积覆盖率均为19.6％，在碳膜表面排列规则，织构直径与过滤网直径相等，且表面不存在融熔物堆积，因此也不存在深度不可控的问题。
请参阅图3，为了对织构的深度进行控制，我们通过台阶仪对碳膜的织构深度进行测试，发现刻蚀深度与刻蚀时间成正比，刻蚀速率为1nm/min，因此可以通过改变刻蚀的时间对织构的深度进行控制；
S4、通过球盘形摩擦磨损试验机对织构化碳膜的摩擦学性能进行测试：
当织构深度均为30nm时，摩擦系数从0.21降至0.06；
当织构直径为10μm和60μm时，磨损寿命从200提高至10000圈以上；
当织构直径为120μm时摩擦寿命为7000圈；
因此得到在一定深度下，织构的直径参数对摩擦寿命有明显的影响。
请参阅图4，为织构加工前后织构化区域的拉曼频移，可以看到前后的D峰，G峰和2D峰未发生明显的变化，因此可以确定其表面化学结构未遭到破坏。
请参阅图5，通过控制织构深度不变，改变织构的直径大小，样品的摩擦磨损性能也获得了极大的提高，织构直径为10μm时，摩擦系数为0.06，磨损寿命提高至接近15000圈，而进一步提高织构直径，磨损寿命降低，摩擦系数也发生一定程度的提高，10μm尺寸的织构相比较于60和120μm的织构有更加优秀的摩擦磨损性能。
实施例1
1)将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气使等离子体腔体内的气压到达2×10-2Pa；再通过施加350A的磁线圈电流及100W的微波使腔体中的氩原子离化，电子在磁场和微波的作用下发生回旋共振被加速到一定能量，与工作气体原子发生碰撞使氩原子电离，产生等离子体；此时，通过施加-50V基片负偏压，可以吸引等离子体中的氩离子对基片表面进行轰击，从而实现样品的离子刻蚀。
研究中通过-50V的离子透过过滤网进行刻蚀，刻蚀速率为1nm/min。通过选择不同孔径的过滤网及刻蚀时间对碳膜的表面织构进行控制，其中，织构直径大小为10μm，等于掩模版孔径；刻蚀时间为10min，织构深度为10nm。
2)样品表面织构类型为典型的坑状织构，其中相邻的两个坑状织构之间的距离为坑状织构直径的两倍，经过计算可以发现织构所占面积的比例与织构尺寸无关，其中织构面积与整个碳膜的面积之比均为19.6％。
3)将制备的织构化碳膜在球盘型摩擦磨损试验机上进行测试，测试温度为室温，湿度40％，载荷大小为1N，对磨件为Si3N4球，通过对不同织构参数下的摩擦系数和磨损寿命进行对比，可以发现织构化表面可以大幅度提高碳膜的磨损寿命并降低摩擦系数。
原始碳膜的摩擦系数在0.21左右，如图5所示。在碳膜表面增加织构后均可有效的降低碳膜的摩擦系数并提高磨损寿命，当织构深度均为10nm，织构直径为60μm时，摩擦系数从0.21降低至最低0.06，磨损寿命从200圈提高至接近7500圈。
实施例2
1)将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气使等离子体腔体内的气压到达2.5×10-2Pa；再通过施加360A的磁线圈电流及130W的微波使腔体中的氩原子离化，电子在磁场和微波的作用下发生回旋共振被加速到一定能量，与工作气体原子发生碰撞使氩原子电离，产生等离子体；此时，通过施加-100V基片负偏压，可以吸引等离子体中的氩离子对基片表面进行轰击，从而实现样品的离子刻蚀。
研究中通过-100V的离子透过过滤网进行刻蚀，刻蚀速率为1nm/min。通过选择不同孔径的过滤网及刻蚀时间对碳膜的表面织构进行控制，其中织构直径大小为10μm，等于掩模版孔径。刻蚀时间为30min，织构深度为30nm。
2)本实施例中样品表面织构类型为典型的坑状织构，其中，相邻的两个坑状织构之间的距离为坑状织构直径的两倍，经过计算可以发现织构所占面积的比例与织构尺寸无关，其中织构面积与整个碳膜的面积之比均为19.6％。
3)将制备的织构化碳膜在球盘型摩擦磨损试验机上进行测试，测试温度为室温，湿度40％，载荷大小为1N，对磨件为Si3N4球，通过对不同织构参数下的摩擦系数和磨损寿命进行对比，可以发现织构化表面可以大幅度提高碳膜的磨损寿命并降低摩擦系数。原始碳膜的摩擦系数在0.21左右，如图5所示。在碳膜表面增加织构后均可有效的降低碳膜的摩擦系数并提高磨损寿命，当织构深度均为30nm，织构直径为10μm时，摩擦系数从0.21降低至最低0.06，磨损寿命从200圈提高至接近15000圈。
实施例3
1)将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气使等离子体腔体内的气压到达3×10-2Pa；再通过施加380A的磁线圈电流及160W的微波使腔体中的氩原子离化，电子在磁场和微波的作用下发生回旋共振被加速到一定能量，与工作气体原子发生碰撞使氩原子电离，产生等离子体；此时，通过施加-100V基片负偏压，可以吸引等离子体中的氩离子对基片表面进行轰击，从而实现样品的离子刻蚀。
研究中通过-100V的离子透过过滤网进行刻蚀，刻蚀速率为1nm/min。通过选择不同孔径的过滤网及刻蚀时间对碳膜的表面织构进行控制，其中织构直径大小为10μm，等于掩模版孔径。刻蚀时间为60min，织构深度为60nm。
2)本实施例中样品表面织构类型为典型的坑状织构，其中相邻的两个坑状织构之间的距离为坑状织构直径的两倍，经过计算可以发现织构所占面积的比例与织构尺寸无关，其中织构面积与整个碳膜的面积之比均为19.6％。
3)将制备的织构化碳膜在球盘型摩擦磨损试验机上进行测试，测试温度为室温，湿度40％，载荷大小为1N，对磨件为Si3N4球，通过对不同织构参数下的摩擦系数和磨损寿命进行对比，可以发现织构化表面可以大幅度提高碳膜的磨损寿命并降低摩擦系数。原始碳膜的摩擦系数在0.21左右，如图5所示。在碳膜表面增加织构后均可有效的降低碳膜的摩擦系数并提高磨损寿命，当织构深度均为60nm，织构直径为10μm时，摩擦系数从0.21降低至最低0.07，磨损寿命从200圈提高至4500圈。
实施例4
1)将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气使等离子体腔体内的气压到达3.5×10-2Pa；再通过施加390A的磁线圈电流及180W的微波使腔体中的氩原子离化，电子在磁场和微波的作用下发生回旋共振被加速到一定能量，与工作气体原子发生碰撞使氩原子电离，产生等离子体；此时，通过施加-80V基片负偏压，可以吸引等离子体中的氩离子对基片表面进行轰击，从而实现样品的离子刻蚀。
研究中通过-80V的离子透过过滤网进行刻蚀，刻蚀速率为1nm/min。通过选择不同孔径的过滤网及刻蚀时间对碳膜的表面织构进行控制，其中织构直径大小为60μm，等于掩模版孔径。刻蚀时间为10min，织构深度为10nm。
2)本实施例中样品表面织构类型为典型的坑状织构，其中相邻的两个坑状织构之间的距离为坑状织构直径的两倍，经过计算可以发现织构所占面积的比例与织构尺寸无关，其中织构面积与整个碳膜的面积之比均为19.8％。
3)将制备的织构化碳膜在球盘型摩擦磨损试验机上进行测试，测试温度为室温，湿度40％，载荷大小为1N，对磨件为Si3N4球，通过对不同织构参数下的摩擦系数和磨损寿命进行对比，可以发现织构化表面可以大幅度提高碳膜的磨损寿命并降低摩擦系数。原始碳膜的摩擦系数在0.21左右，如图5所示。在碳膜表面增加织构后均可有效的降低碳膜的摩擦系数并提高磨损寿命，当织构深度均为10nm，织构直径为30μm时，摩擦系数从0.21降低至最低0.10，磨损寿命从200圈提高至接近6000圈。
实施例5
1)将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气使等离子体腔体内的气压到达4×10-2Pa；再通过施加400A的磁线圈电流及200W的微波使腔体中的氩原子离化，电子在磁场和微波的作用下发生回旋共振被加速到一定能量，与工作气体原子发生碰撞使氩原子电离，产生等离子体；此时，通过施加-60V基片负偏压，可以吸引等离子体中的氩离子对基片表面进行轰击，从而实现样品的离子刻蚀。
研究中通过-60V的离子透过过滤网进行刻蚀，刻蚀速率为1nm/min。通过选择不同孔径的过滤网及刻蚀时间对碳膜的表面织构进行控制，其中织构直径大小为60μm，等于掩模版孔径。刻蚀时间为30min，织构深度为30nm。
2)本实施例中样品表面织构类型为典型的坑状织构，其中相邻的两个坑状织构之间的距离为坑状织构直径的两倍，经过计算可以发现织构所占面积的比例与织构尺寸无关，其中织构面积与整个碳膜的面积之比均为19.8％。
3)将制备的织构化碳膜在球盘型摩擦磨损试验机上进行测试，测试温度为室温，湿度40％，载荷大小为1N，对磨件为Si3N4球，通过对不同织构参数下的摩擦系数和磨损寿命进行对比，可以发现织构化表面可以大幅度提高碳膜的磨损寿命并降低摩擦系数。原始碳膜的摩擦系数在0.21左右，如图5所示。在碳膜表面增加织构后均可有效的降低碳膜的摩擦系数并提高磨损寿命，当织构深度均为30nm，织构直径为60μm时，摩擦系数从0.21降低至最低0.08，磨损寿命从200圈提高至12000圈。
实施例6
1)将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气使等离子体腔体内的气压到达4.5×10-2Pa；再通过施加400A的磁线圈电流及240W的微波使腔体中的氩原子离化，电子在磁场和微波的作用下发生回旋共振被加速到一定能量，与工作气体原子发生碰撞使氩原子电离，产生等离子体；此时，通过施加-50V基片负偏压，可以吸引等离子体中的氩离子对基片表面进行轰击，从而实现样品的离子刻蚀。
研究中通过-50V的离子透过过滤网进行刻蚀，刻蚀速率为1nm/min。通过选择不同孔径的过滤网及刻蚀时间对碳膜的表面织构进行控制，其中织构直径大小为60μm，等于掩模版孔径。刻蚀时间为60min，织构深度为60nm。
2)本实施例中样品表面织构类型为典型的坑状织构，其中相邻的两个坑状织构之间的距离为坑状织构直径的两倍，经过计算可以发现织构所占面积的比例与织构尺寸无关，其中织构面积与整个碳膜的面积之比均为19.8％。
3)将制备的织构化碳膜在球盘型摩擦磨损试验机上进行测试，测试温度为室温，湿度40％，载荷大小为1N，对磨件为Si3N4球，通过对不同织构参数下的摩擦系数和磨损寿命进行对比，可以发现织构化表面可以大幅度提高碳膜的磨损寿命并降低摩擦系数。原始碳膜的摩擦系数在0.21左右，如图5所示。在碳膜表面增加织构后均可有效的降低碳膜的摩擦系数并提高磨损寿命，当织构深度均为60nm，织构直径为60μm时，摩擦系数从0.21降低至最低0.18，磨损寿命从200圈提高至3000圈。
实施例7
1)将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气使等离子体腔体内的气压到达5×10-2Pa；再通过施加420A的磁线圈电流及260W的微波使腔体中的氩原子离化，电子在磁场和微波的作用下发生回旋共振被加速到一定能量，与工作气体原子发生碰撞使氩原子电离，产生等离子体；此时，通过施加-100V基片负偏压，可以吸引等离子体中的氩离子对基片表面进行轰击，从而实现样品的离子刻蚀。
研究中通过-100V的离子透过过滤网进行刻蚀，刻蚀速率为1nm/min。通过选择不同孔径的过滤网及刻蚀时间对碳膜的表面织构进行控制，其中织构直径大小为120μm，等于掩模版孔径。刻蚀时间为10min，织构深度为10nm。
2)本实施例中样品表面织构类型为典型的坑状织构，其中相邻的两个坑状织构之间的距离为坑状织构直径的两倍，经过计算可以发现织构所占面积的比例与织构尺寸无关，其中织构面积与整个碳膜的面积之比均为20.0％。
3)将制备的织构化碳膜在球盘型摩擦磨损试验机上进行测试，测试温度为室温，湿度40％，载荷大小为1N，对磨件为Si3N4球，通过对不同织构参数下的摩擦系数和磨损寿命进行对比，可以发现织构化表面可以大幅度提高碳膜的磨损寿命并降低摩擦系数。原始碳膜的摩擦系数在0.21左右，如图5所示。在碳膜表面增加织构后均可有效的降低碳膜的摩擦系数并提高磨损寿命，当织构深度均为10nm，织构直径为120μm时，摩擦系数从0.21降低至最低0.09，磨损寿命从200圈提高至5000圈。
实施例8
1)将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气使等离子体腔体内的气压到达5.5×10-2Pa；再通过施加440A的磁线圈电流及270W的微波使腔体中的氩原子离化，电子在磁场和微波的作用下发生回旋共振被加速到一定能量，与工作气体原子发生碰撞使氩原子电离，产生等离子体；此时，通过施加-100V基片负偏压，可以吸引等离子体中的氩离子对基片表面进行轰击，从而实现样品的离子刻蚀。
研究中通过-100V的离子透过过滤网进行刻蚀，刻蚀速率为1nm/min。通过选择不同孔径的过滤网及刻蚀时间对碳膜的表面织构进行控制，其中织构直径大小为120μm，等于掩模版孔径。刻蚀时间为30min，织构深度为30nm。
2)本实施例中样品表面织构类型为典型的坑状织构，其中相邻的两个坑状织构之间的距离为坑状织构直径的两倍，经过计算可以发现织构所占面积的比例与织构尺寸无关，其中织构面积与整个碳膜的面积之比均为20.0％。
3)将制备的织构化碳膜在球盘型摩擦磨损试验机上进行测试，测试温度为室温，湿度40％，载荷大小为1N，对磨件为Si3N4球，通过对不同织构参数下的摩擦系数和磨损寿命进行对比，可以发现织构化表面可以大幅度提高碳膜的磨损寿命并降低摩擦系数。原始碳膜的摩擦系数在0.21左右，如图5所示。在碳膜表面增加织构后均可有效的降低碳膜的摩擦系数并提高磨损寿命，当织构深度均为30nm，织构直径为120μm时，摩擦系数从0.21降低至最低0.10，磨损寿命从200圈提高至7500圈。
实施例9
1)将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气使等离子体腔体内的气压到达6×10-2Pa；再通过施加450A的磁线圈电流及300W的微波使腔体中的氩原子离化，电子在磁场和微波的作用下发生回旋共振被加速到一定能量，与工作气体原子发生碰撞使氩原子电离，产生等离子体；此时，通过施加-100V基片负偏压，可以吸引等离子体中的氩离子对基片表面进行轰击，从而实现样品的离子刻蚀。
研究中通过-100V的离子透过过滤网进行刻蚀，刻蚀速率为1nm/min。通过选择不同孔径的过滤网及刻蚀时间对碳膜的表面织构进行控制，其中织构直径大小为120μm，等于掩模版孔径。刻蚀时间为60min，织构深度为60nm。
2)本实施例中样品表面织构类型为典型的坑状织构，其中相邻的两个坑状织构之间的距离为坑状织构直径的两倍，经过计算可以发现织构所占面积的比例与织构尺寸无关，其中织构面积与整个碳膜的面积之比均为20.0％。
3)将制备的织构化碳膜在球盘型摩擦磨损试验机上进行测试，测试温度为室温，湿度40％，载荷大小为1N，对磨件为Si3N4球，通过对不同织构参数下的摩擦系数和磨损寿命进行对比，可以发现织构化表面可以大幅度提高碳膜的磨损寿命并降低摩擦系数。原始碳膜的摩擦系数在0.21左右，如图5所示。在碳膜表面增加织构后均可有效的降低碳膜的摩擦系数并提高磨损寿命，当织构深度均为60nm，织构直径为120μm时，摩擦系数从0.21降低至最低0.09，磨损寿命基本不变。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法，其特征在于，利用ECR等离子体加工系统对已沉积的碳膜进行表面织构加工，通过调节掩模版的孔径尺寸及离子刻蚀时间，实现表面织构的参数调控；利用共聚焦显微镜对织构形貌进行表征，确定织构的直径为10～120μm，制备摩擦系数在0.18～0.06，磨损寿命为10000圈以上的织构化碳膜，包括以下步骤：
S1、将样品表面清洗后置于真空等离子腔体中，通入氩气，施加磁线圈电流及微波使腔体中的氩原子离化，产生等离子体，将等离子体溅射碳靶，并将碳原子沉积为碳膜；
S2、在碳膜上施加基片负偏压，等离子体腔体中的氩离子经加速后透过掩模版轰击样品表面，氩离子刻蚀碳膜表面从而实现样品的离子刻蚀，具体为：对步骤S1制备的碳膜基底施加-50～-100V负直流偏压，氩离子在电场加速作用下透过掩模版轰击样品表面进行离子刻蚀，透过离子的区域的碳膜会被氩离子刻蚀，而未透过氩离子的区域碳膜不会发生变化，从而在碳膜表面形成织构化，刻蚀时间为10～60min，织构深度为10～60nm，织构区域面积与基片总面积之比为19.6～20.0％；
S3、利用共聚焦显微镜对不同织构尺寸下的样品表面进行表征，确定刻蚀深度与刻蚀时间成正比关系，通过改变刻蚀的时间对织构的深度进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法，其特征在于，步骤S1具体为：
S1.1、对等离子体腔体抽真空，当真空度达到2～4×10-4Pa后将氩气通入到等离子体腔体中，使等离子体腔体内的气压到达2～6×10-2Pa；
S1.2、通过施加350～450A的磁线圈电流及100～300W的微波使腔体中的氩原子离化，初始电子在磁场和微波的耦合作用下做回旋运动，得到氩等离子体；
S1.3、在碳靶加偏压后氩等离子体中氩原子轰击碳靶表面溅射出碳原子，在基片施加偏压后氩等离子体中电子辅助碳原子进行沉积，形成60～80nm厚度碳膜。
3.根据权利要求1所述的一种ECR离子刻蚀加工表面织构并精确控制织构尺寸方法，其特征在于，掩模版的材质为Cu，掩模版的孔径为10～120μm。
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