CN1141415C - 一种碳基薄膜合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空沉积薄膜技术领域，针对现有方法无法在复杂工件表面合成质量优良的高硬度薄膜，分别采用碳作为金属等离子体源，氮作气体等离子体源，用等离子体浸没离子注入方法，在具有复杂形状的工件表面形成类金刚石薄膜或碳氮化合物薄膜。本发明所述的方法，可以在形状复杂的工件表面合成具有超高硬度、较高结合力、耐磨损、耐腐蚀的薄膜，主要应用于人工器官表面改性领域。
Description
所属技术领域
本发明涉及真空沉积薄膜技术领域，特别涉及在形状复杂的器件表面均匀沉积碳基薄膜的技术领域。
背景技术
金刚石薄膜、碳氮化合物薄膜之类碳基薄膜材料具有优异的力学、热学、电学、光学和声学特性而成为发展前景广阔的薄膜材料，已经采用等离子体化学气相沉积、溅射、离子束增强沉积以及磁过滤弧源沉积等方法由于沉积的原子离子束流是直线的，没有绕射性，因而只能在平面样品表面沉积薄膜。磁过滤弧源沉积方法虽然由于引出的是带电荷的离子束流，在样品台上所施加负偏压作用下束流沿电力线运动因而具有部分绕射性，但对立体的工件仍不可能获得均匀的薄膜。等离子体化学气相沉积方法由于工件处于反应等离子体场中，因而能在复杂的工件表面获得均匀的薄膜，但是该方法所合成的薄膜结合力不很高并且由于所合成的薄膜SP3键含量不高，所以其硬度及其他性能受到限制，而且由于合成温度较高，对衬底材料有所限制。文献1(K.C.walter，et al，Diamondlikecarbon deposition for tribological applications at Los Alamos National Laboratory，Materials Research Society Symposium Proceeding，Volume 383，1995)报道了乙炔气体脉冲等离子体合成类金刚石薄膜的方法，将乙炔气体充入真空室中并离化形成等离子体场，在等离子体场中的工件上施加脉冲负高压，碳离子被加速轰击并沉积于工件表面，可以获得结合力较高的、均匀的类金刚石薄膜，但是由于膜内不可避免地存在着氢，薄膜的硬度仅约25Gpa。尚未见到在较低温度下(低于200℃)在复杂工件表面形成超硬的(硬度大于40Gpa)类金刚石薄膜和碳氮化合物薄膜的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳基薄膜的真空沉积方法，它能有效地在形状复杂的工件表面均匀地合成高硬度、与基体有较高的结合力的类金刚石薄膜和碳氮化合物薄膜。
本发明采用等离子体浸没离子洲入技术实现在复杂工件表面均匀沉积超高硬度(硬度大于40GPa)的类金刚石薄膜和碳氮化合物薄膜，其技术可以通过以下方案实现：
1、将石墨作为阴极材料，装入等离子体浸没离子注入装置的四个均布的金属阴极真空弧等离子体源(MEVVA源)的阴极，将碳等离子体引入真空室，产生和引出碳等离子体的的参数为：触发电压2-12KV，电流200-600mA，触发频率10-200Hz，脉冲宽度50-500μs，起弧电压50-500V，电流10-100A，经过弯管外安装的偏转电磁线圈的偏转作用而滤掉蝇性原子及粒子，磁偏转线圈的电压10-100A，经过变管外安装的偏转电磁线圈的偏转作用而滤掉中性的子及粒子，磁偏转线圈的电压100-1000V，电流5-50A，并经弯管与真空室结合的扫描电磁线圈的扫描而进入真空室，扫描电压为100-2000V，扫描电流为5-30A，碳等离子体密度为5×108-1×1010/cm3，为使薄膜与基体有较高的结合力，先在样品台上施加真流负电压并使样品台旋转，电压幅值为8-10kv，沉积5-10分钟，随后调低直流负电压，电压幅值为0.1-0.5kv，碳离子轰击的流强为10-100mA，样品台旋转速度为0.5-10转/分，在真空室四周均布的四个阴极真空弧等离子体源引出的碳等离子体扫描束和样品台转动联合作用下，在复杂的工件表面获得均匀的纯碳超硬类金刚石薄膜，薄膜的沉积速率为1-20埃/秒。
用上述碳等离子体产生方式将碳等离子体由金属真空弧等离子体源引入真空室，密度为5×108-1×1010/cm3，为使薄膜与基体有较高的结合力，先在样品台上施加一脉冲负电压，电压幅值为30-60kv，脉冲宽度为10-60μs，脉冲得复频率为50-1000Hz，沉积5-10分钟，随后调代脉冲负电压，电压幅值为0.1-0.5kv，碳离子轰击的流强为10-100mA，薄膜的沉积速率为1-20埃/秒，在复杂工件表面获得均匀的纯碳的超硬的类金刚石薄膜。
2、用上述碳等离子体产生方式，用石墨作为阴极材料，装入等离子体浸没离子注入属阴极弧等离子体源引出，经过弯管外安装的电磁线圈的偏转作用而滤掉中性原子及粒子并经弯管与真空室结合处的电磁线圈的扫描而进入真空室，碳等离子体密度为5×108-1×1010/cm3。同时在真空室中充入氮气，压力为10-3-10-1Pa，采用射频放电等离子体源，频率为13.56MHz，放电功率为0.3-3KW；灯丝放电等离子体源，放电电压为50-200v，电流为10-50A或微流放电等离子体源，频率为2.45GHz，放电功率为0.5-3kW，在真空室内产生氮等离子体，使氮等离子体密度为5×108-5×1010/cm3，为使薄膜与基体有较高的结合力，先在样品台上施加一直流负电压并使样品台旋转，电压幅值为8-10kv，沉积5-10分种，随后调低直流负电压，电压幅值为0.1-0.5kv，样品台转动速度为0.5-10转/分，可以在样品表面形成碳氮化合物薄膜，薄膜的沉积速率为1-20埃/秒。
用上述碳、氮等离子体产生方法，将石墨作为阴极材料，装入等离子体浸没离子注入装置的四个均布的金属阴极真空弧等离子体源(MEVVA源)的阴极，将碳等离子体由金属阴极弧等离子体源引出，经过弯管外安装的电磁线圈的偏转作用而滤掉中性原子及粒子并经弯管与真空室结合处的电磁线圈的扫描而进入真空室，同时在真空室内充入氮气，采用射频放电等离子体源、灯丝放电等离子体源或微波放电等离子体源在真空室内形成氮等离子体，为使薄膜与基体有较高的结合力，先在样品台上施加一脉冲负电压，电压幅值为30-60kv，脉冲宽度为10-60μs，脉冲重复频率为50-1000Hz，沉积5-10分钟，随后调低脉冲负电压，电压幅值为0.1-0.5kv，薄膜的沉积速率为1-20埃/秒，在样品表面形成碳氮化合物薄膜。
本发明与现有技术相比的优点和效果在于：
(1)本发明可以在复杂的工件表面合成均匀的类金刚石薄膜和碳氮化合物薄膜，实现批量处理，因而可以实现工业应用。
(2)由于本发明所合成的类金刚石薄膜和碳氮化合物薄膜的沉积过程的离子束是全部离子化的，其能量可以在较大范围内调节和控制，因而所合成的薄膜可以获得很高含量的碳-碳或碳-氮原子结合的sp3键，因则可以获得很高的硬度(可大于40Gpa)，并可使薄膜与基体材料有很高的结合力，并可使工件在沉积过程中保持在在较低温度(低于200℃)。
附图说明
图1为本发明所用装置的真空室A-A剖视图。
图2为本发明所用装置的真空室俯视图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
具体实施方式：
实施例1 将工件7放入真空室1的试样台6上，密闭真空室1，抽真空至气压小于5×10-4Pa，将石墨2安装在金属阴极弧等离子体源3的阴极，金属阴极弧等子体源的引出导管外有磁偏转线圈4，在与主真空室地结合处有扫描线圈5，打开金属阴极弧等离子体源3的触发器电源，调节触发电压至6.5KV，电流200mA、起弧电压120V，电流10A和磁偏转线圈的电压200V，电流10A。将碳等离子体引入真空室，密度为1×109-5×109/cm3，同时打开扫描电磁线圈5电源开关进行扫描，电压1000V，电流20A，使样品台旋转，速度0.5-10转/分钟，在真空室试样台6上施加10Kv直流负高压沉积5分钟后，调低电压至0.25KV，碳离子轰击的流强为10-100mA，沉积一定时间后，在工件7表面形成类金刚石膜。
实施例2 将工件7放入真空室1的试样台6上，密闭真空室1，抽真空至气压小于5×10-4Pa，将石墨2安装在金属阴极弧等离子体源3的阴极，金属阴极弧等离子体源的引出导管外有磁偏转线圈4，在与主真空室的结合处有扫描线圈5，打开金属阴极弧等离子体源3的触发器电源，调节触发电压至6.5KV，电流200mA、起弧电压120V，电流10A和磁偏转线圈的电压200V，电流10A。将碳等离子体引入真空室，密度为1×109-5×109/cm3，同时打开扫描电磁线圈5电源开关进行扫描，电压1000V，电流20A，使样品台旋转，速度0.5-10转/分钟，在真空室试样台6上施加10Kv直流负高压沉积5分钟后，调低电压至0.25KV，碳离子轰击的的流强为10-100mA，沉积一定时间后，在工件7表面形成类金刚石膜。
实施例2 将工件7放入真空室1的试样台6上，密闭真空室1，抽真空至气压小于5×10-4Pa，将石墨2安装在金属阴极弧等离子体源3的阴极，金属阴极弧等离子体源的引出导管外有磁偏转线圈4，在与主真空室地结合处有扫描线圈5，打开金属阴极弧等离子体源3的触发器电源，调节触发电压至12KV，电流500mA、起弧电压300V，电流30A和磁偏转线圈的电压400V，电流15A。将碳等离子体引入真空室，密度为1×109-5×109/cm3，同时打开扫描电磁线圈5电源开关进行扫描，电压1000V，电流20A，使样品台旋转，速度0.5-10转/分钟，在真空室试样台6上施加8Kv直流负高压沉积5分种后，调低电压至0.35KV，碳离子轰击的流强为10-100mA，沉积一定时间后，在工件7表面形成类金刚石膜。
实施例3 将工件7放入真空室1的试样台6上，采取与实施例1或实施例2相同的步骤及工艺方法及参数将碳等离子体引入真空室，同时打开扫描电磁线圈5电源开关进行扫描，电压1000V，电流20A，在真空室试样台6上施加40KV脉冲负高压，脉冲宽度为30μs，脉冲高压重复频率500Hz，沉积5分种后，随后调低脉冲负电压，电压幅值为0.2KV，碳离子轰击的流强为10-100mA，在工件7表面形成类金刚石膜。
实施例4 将工件7放入真空室1的试样台6上，采取与实施例1或实施例2相同的步骤及工艺方法及参数将碳等离子体引入真空室，同时打开扫描电磁线圈5电源开关进行扫描，电压1000V，电流20A，在真空室试样台6上施加40KV脉冲负高压，脉冲宽度为30μs，脉冲高压重复频率500Hz，沉积5分钟后，随后调低脉冲负电压，电压幅值为0.4KV，碳离子轰击的流强为10-100mA，在工件7表面形成类金刚石膜。
实施例5 将工件7放放真空室1的试样台6上，密闭真空室1，抽真空于气压小于5×10-4Pa，将高纯氮气充入真空室，压力为3×10-2Pa，打开灯丝等离子体源8，灯丝电压100V，电流30A，使真空室内形成氮等离子体场，密度为1×109-4×109/cm3，打开金属阴极弧等离子体源3(在其阴极安装了石墨2)的触发器电源，采取与实施例1或实施例2相同的步骤及工艺方法及参数将碳等离子体引入真空室，密度1×109-4×109/cm3，打开金属阴极弧等离子体源3(在其阴极安装了石墨2)的触发器电源，采取与实施例1或实施例2相同的步骤及工艺方法及参数将碳等离子体引入真空室，密度1×109-3×109/cm3，同时打开扫描电磁线圈5电源开关进行扫描，电压1000V，电流20A，使样品台旋转，速度0.5-10转/分钟，在真空室试样台6上施加9KV直流负高压沉积5分钟后，调低电压至0.25KV，沉积一定时间后，在工件7表面形成碳氮化合物薄膜。
实施例6 将工件7放入真空室1的试样台6上，密闭真空室1，抽真空至气压小于5×10-4Pa，将高纯氮氯充入真空室，压力为5×10-1Pa，打开灯丝等离子体源8，灯丝电压70V，电流20A，使真空室内形成氮等离子体场，密度为1×109-4×109/cm3，打开金属阴极弧等离子体源3(在其阴极安装了石墨2)的触发器电源，采取与实施例1或实施例子2相同的步骤及工艺方法及参数将碳等离子体引入真空室，密度为1×109-3×109/cm3，同时打开扫描电磁线圈5电源开关进行扫描，电压1000V，电流20A，使样品台旋转，速度0.5-10转/分钟，在真空室试样台6上施加8KV真流负高压沉积5分钟后，调低电压至0.15KV，沉积一定时间后，在工件7表面形成碳氮化合物薄膜。
实施例7 将工件7放入真空室1的试样台6上，密闭真空室1，抽真空至气压小于5×10-4Pa，将高纯氮气充入真空室，压力为5×10-1Pa，打开射频等离子体源9，功率500W，频率13,56MHz，使真空室内形成氮等离子体场，密度为1×109-4×109/cm3，采取与实施例1或实施例2相同的步骤及工艺方法及参数将碳等离子体引入真空室，密度为1×109-3×109/cm3，同时打开扫描电磁线圈5电源开关进行扫描，使样品台旋转，速度0.5-10转/分钟，在真空室试样台6上施加10KV直流负高压沉积5分钟后，调低电压至0.4KV，沉积一定时间后，在工件7表面形成碳氮化合物薄膜。
实例例9将工件7放入真空室1的试样台6上，密闭真空室1，抽真空至气压小于5×10-4Pa，将高纯氮气充入真空室，采取与实施例5、6、7、8相同的步骤及工艺方法及参数将氮等离子体、碳等离子体引入真空室，在真空室试样台6上施加30KV脉冲负高压，脉冲宽度为30μs，脉冲高压重复频率500Hz，沉积5分钟后，随后调低脉冲负电压，电压幅值为0.2KV，在工件表面形成碳氮化合物薄膜。
实施例10将工件7放入真空室1的试样台6上，密闭真空室1，抽真空至气压小于5×10-4Pa，将高纯氮气充入真空室，采取与实施例5、6、7、8相同的步骤及工艺方法及参数将氮等离子体、碳等离子体引入真空室，在真空室试样台6上施加工厂60KV脉冲负高压，脉冲宽度为60μs，脉冲高压重复频率800Hz，沉积5分钟后，随后调低脉冲负电压，电压幅值为0.5KV，在工件表面形成碳氮化合物薄膜。
Claims (4)
1、一种碳基薄膜的合成方法，将石墨作为阴极材料，装入等离子体浸没离子注入装置的四个均布的金属阴极真空弧等离子体源的阴极，将碳等子体由金属弧源引出，经过弯管外安装的偏转电磁线圈的偏转作用而滤掉中性原子及粒子，并经弯管与真空室结合处的扫描磁线圈的扫描而进入真空室；其特征在于，产生和引出碳等离子体的参数为：触发电压2-12KV，电流200-600mA，触发频率10-200Hz，脉冲宽度50-500μs，起弧电压50-500V，电流10-100A，磁偏转线圈的电100-1000V，电流5-50A，扫描电压为100-2000V，扫描电流为5-30A，碳等离子体密度为5×108-1×1010/cm3；先在样品台上施加一直流负电压并使样品台旋转，电压幅值为8-10kv，沉积5-10分钟，随后调低直流负电压，电压幅值为0.1-0.5kv，碳离子轰击的流强为10-100mA，样品台旋转速度为0.5-10转/分，薄膜的沉积速率为1-20埃/秒，在复杂的工件表面获得均匀的纯碳超硬类金刚石薄膜。
2、根据权利要求1所述的碳基薄膜合成方法，其特征在于先在样品台上施加一脉冲负电压，电压幅值为30-60kv，脉冲宽度为10-60μs，脉冲重复频率为50-1000Hz，沉积5-10分钟，随后调低脉冲负电压，电压幅值为0.1-0.5kv，碳离子轰击流强为10-100mA，薄膜的沉积速度为1-20埃/秒，在复杂工件表面获得均匀的纯碳超硬类金刚石薄膜。
3、根据权利要求1所述的碳基薄膜合成方法，其特征在于真空室中充入氮气，压力为10-3-10-1Pa，以13.56MHz的射频放电，功率为0.3-3KW，产生氮等离子体，或以电压为50-200v，电流为10-50A的灯丝放电产生氮等离子体，或以2.456Hz的微波放电，放电功率为0.5-3kW的微波等离子体源产生氮等离子体，使氮等离子体密度为5×108-5×1010/cm3；将碳等离子体由金属弧源引出，碳等离子体密度为5×108-1×1010/cm3；先在样品台上施加一直流负电压并使样品台旋转，电压幅值为8-10kv，沉积5-10分钟，随后调低直流负电压，电压幅值为0.1-0.5kv，样品台转动速度0.5-10转/分，薄膜的沉种速率为1-20埃/秒，在样品表面形成碳氮化合物薄膜。
4、根据权利要求3所述的碳基薄膜合成方法，其特征在于先在样品台上施加一脉冲负电压，电压幅值为30-60kv，脉冲宽度为10-60μs，脉冲重复频率50-1000Hz，沉积5-10分钟，随后调低脉冲负电压，电压幅值为0.1-0.5kv，薄膜的沉积速率为1-20埃/秒，在样品表面形成碳氮化合物薄膜。
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