磁控溅射非晶碳基薄膜之结构设计及机械性能

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1、磁控溅射非晶碳基薄膜之结构设计及机械性能第一章绪论1.1引言近几十年来，随着机械制造、冶金等传统工业的不断发展和电子产业、生物科学、能源、航空航天等新兴工业的蓬勃掘起，各个领域对材料的性能要求越来越高。而经过材料表面改性的元件和零部件具备特定的表面性能，如高强度、耐高温氧化、耐腐姓、耐磨损等机械性能以及高导电、高透光率等光电性能。这些具备表面增强特性的材料在很多领域中得到广泛的应用，促成表面工程学的迅速兴起，并且得到人们的高度重视。薄腹技术是表面工程学重要的组成部分，其薄膜材料的制备方式从最初的电沉积、涂覆等手段发展到具备纳米级精度与高结合力的真空沉积工艺。在资源曰益紧缺的今天，

2、大力发展薄膜材料显得尤其重要。非晶碳（a-C)薄膜具有一系列独特而可调性组合式的性能，例如高硬度和耐磨损、氣好的化学稳定性和良好的摩擦学性能等[1_3]，且薄膜的自润滑性使其具有低的摩擦系数，对保护零件本身与对磨物体具有重要意义，使其广泛应用于齿轮、切削刀具及轴承等零用件表面，成为保护涂层，也可以用作硬磁盘中磁性介质的保护膜，以减少摩擦磨损，提高其使用寿命。此外，非晶碳薄膜还具备其他优氣的光学、声学及电学等物理性质[4_6],除了机械工程领域外，在声学、电磁学、光学以及生物医学等领域得到应用并不断拓展着其应用领域，使其成为近几年薄膜技术领域的研究热点之一，拥有广阔的应用前景。.1

3、.2非晶碳薄膜的结构溅射现象是在1842年Grove研究电子管阴极腐姓时候发现的，1870年左右开始应用于薄膜的制备与研究。溅射镜膜的特点有：第一，只要能做成乾材的任何物质，都可以实现溅射，特别是高溶点、低蒸汽压的元素与化合物；第二，经溅射后的薄膜与基体之间的附着性好；第三，经溅射后的薄膜纯度高，致密性好；第四，溅射工艺可重复性好，薄膜厚度可控，同时可获得厚度均句的大面积薄膜材料。迄今为止，溅射镀膜巳经广泛应用于各种功能材料的制备，主要分为四大类：直流溅射、射频溅射、反应溅射和磁控溅射。磁控溅射是其中最为常见的一种溅射手段[14]，其基本原理为：在一定真空度条件下，往真空室充入一

4、定量的氩气，并在强电场作用下使气体放电，产生大量的氩离子和电子。氩离子向阴极运动，而电子向阳极运动。由于乾材被放置在阴极处，氩离子在往阴极方向运动的过程中高速撞击耗材表面，使觀材发生溅射，中性的把原子或者分子沉积在基片上形成薄膜。另一方面，耗材溅射时产生的二次电子在电场的作用下加速飞向阳极，该过程中不断与氩气碰撞，使电离得以继续。为了提高电离率，增加电子与氩气的碰撞机会，利用正交电磁场使二次电子在靠近耗材表面的等离子体区域内作圆摆线运动，从而在该区域中电离出大量的氩离子来轰击耗材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离乾材表面，在电场作用下最

5、后沉积在基片上。由于该电子的能量低，传递给基片的能量小，使得基片温升比较低。第二章实验方法2.1基体处理本文釆用医用Ti6A14V合金和(100)晶面取向的单晶桂薄片最为基体。钬合金基体的制备过程如下：首先，釆用线切割及砂轮切割等方法将基体原材料制成20x20x5皿n3的长方体，然后，把合金基体的镀膜面分别采用机械磨光和化学抛光的方法制成光滑表面（粗棱度约小于0.2Mm),最后，及时清洗、烘干并干燥保存。单晶桂基体是把(100)晶面已抛光过的盘状单晶桂薄片切成切成面积与合金基体接近，形状规则不定的基片。将钬合金和单晶桂基体浸入丙酮溶液中，然后釆用超声波清洗器进行超声清洗20min

6、;取出来后用氮气吹干，接着马上浸入到无水乙醇中超声清洗l0min;用镊子夹出来后再用氮气吹干，装进干净的试样袋里并放入干燥箱里保存待用。所用丙酮和无水乙醇溶液均为分析纯试剂，超声波清洗器为K:Q2200DE型数控超声波清洗器，干燥箱为CTE98D电子防潮箱（氮气柜)。.2.2薄膜制备本实验中制备含Ti非晶碳复合薄膜和a-C/a-C:Ti纳米多层复合薄膜的设备为沈阳腾整真空技术有限公司制造的TAJS-700型闭合场非平衡磁控溅射镀膜机，图2.1为其真空室平面示意图。在四个垂直于水平面并且相互呈90°方向上放置尺寸为380mmxl27mm的矩形觀纯钬觀和纯石墨觀，这两种乾材交

7、替排列。基底置于样品台上，且样品台有两个转动系统，可以满足同时公转和自转，从而保证沉积得到的薄膜的均句性。本实验采用如图2.1所示的磁控溅射设备沉积非晶碳基薄膜，根据不同薄膜的需要开启相应的乾材，单独开启一个觀材或者同时开启多个觀材，并配合公转和自转。而氣气的流量由OEM(OpticalEmissionMonitor)控制。关闭真空腔体室，进行溅射锻膜，镀腹完毕后关闭耗电源和偏压电源，停止氩气，停止分子泵，停止机械豕，待腔体室门打开后取出样品，釆用机械策预抽真空至10Pa左右，并