專利名稱：一種氧化鉻涂層制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧化鉻涂層，具體地說是一種氧化鉻涂層制備工藝。
背景技術(shù)：
在所有礦物和氧化物中，Cr2O3是最硬的材料之一。它具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗高溫性能、摩擦系數(shù)小等特點(diǎn)，可作為微電子器件的阻擋層和磨損器件的保護(hù)層。另外，Cr2O3薄膜太陽能吸收性能高和熱發(fā)散性差，作為太陽能吸收器的選擇吸收層，也已經(jīng)受到人們的廣泛關(guān)注。以前研究結(jié)果表明，Cr2O3薄膜耐磨性能好和摩擦系數(shù)低，但硬度低于Cr2O3塊體硬度值。
最近幾年，哥倫布(美國俄亥俄州首府)的布山(Bhushan)等人在文獻(xiàn)[磁記錄用氧化鉻薄膜的摩擦性能研究(Tribological studies ofchromium oxide films formagnetic recording applications)，Bharat Bhushan，Gerad S.A.M.Theunissen，Xiaodong Li，固體薄膜(Thin Solid Films 311(1997)67～80)]中記載了利用濺射法制備出200nm厚的缺氧Cr2O3薄膜，其硬度值最高為29.5GPa。
瑞士(歐洲中部國家)的洪斯(P.Hones)等人在文獻(xiàn)[濺射工藝對Cr2O3薄膜的力學(xué)性能研究(Influence of depositon parameters on mechanical properties ofsputter-deposited Cr2O3thin films)，P.Hones and F.Levy，材料研究學(xué)報(J.Mater.Res.，Vol.14.NO.9，Sep 19993623～3629)]中記載了利用濺射法制備出2μm左右厚的Cr2O3薄膜，其硬度值最高達(dá)到32GPa。
目前，Cr2O3薄膜制備方法主要是濺射法和化學(xué)氣相沉積法(CVD)。雖然這兩種方法均可制備出Cr2O3薄膜，但每種方法都有其不足之處。濺射法多用靶材Cr2O3，成本高，并且所得多為非晶缺氧薄膜，熱處理后，部分Cr2O3膜晶化，影響薄膜的性能，濺射法本身也有其不足之處(1)在靶表面發(fā)生凹狀侵蝕環(huán)，使整個靶的利用量僅達(dá)50％；(2)靶表面易變形開裂，因此，運(yùn)行功率不能太高，使濺射速率受到限制。CVD是利用氣相物質(zhì)的熱分解、熱合成或化學(xué)傳輸?shù)冗^程，在固體表面上生成固態(tài)沉積層的過程，利用CVD法，可通過分解Cr(C5H7O2)3和Cr(CO)6，獲得了光滑平整的Cr2O3薄膜，但其也有不足之處需要在高溫下反應(yīng)，因而對于可用來鍍膜的基體材料種類加以限制，基體難于進(jìn)行局部沉積，以及參加反應(yīng)的源和反應(yīng)后的余氣都有一定毒性等，必須小心防護(hù)和操作。目前，未見采用電弧離子鍍法制備氧化鉻涂層的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)濟(jì)、無公害、沉積速度快，可在低溫下沉積且致密度高的氧化鉻制備工藝。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案是采用電弧離子鍍法，以純鉻作為陰極靶，陽極和真空室相連，陰極和陽極分別接在低壓、大電流直流電源的負(fù)極和正極，所述直流電源的電流為10～100A，工作電壓為15～40V，用氧氣作反應(yīng)氣體，用Ar氣作保護(hù)氣體，具體步驟如下1)拋光、清洗，基體經(jīng)金相砂紙研磨拋光，在丙酮或酒精中用超聲清洗預(yù)處理；2)裝爐后將真空室抽至真空度為2.0×10-2～6.0×10-3Pa，通入Ar氣，壓力為5×10-2～8×10-2Pa，鍍膜前加-700V～-1000V的高偏壓；3)利用輝光放電轟擊基體表面2～5min，弧電流Ia30～60A，弧電壓15～40V；4)對基體轟擊完后，通入氧氣，氧流量60～270sccm，工作壓強(qiáng)4.0～8.0×10-1Pa，脈沖偏壓Vp0～-500V，占空比為0～40％。
所述真空室抽真空后，將基體加熱至100～200℃后，再通入Ar氣；所述高偏壓為直流偏壓或脈沖偏壓；所述基體與靶材間距為150～300mm；所述基體為鐵基、鎳基合金、硬質(zhì)合金或陶瓷；所述涂層厚度可視應(yīng)用要求而通過控制生長時間來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.一弧多用。本發(fā)明所述陰極電弧源既可作為蒸發(fā)源和離化源，又可作為加熱源和轟擊源，實(shí)現(xiàn)一弧多用。
2.本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)低溫沉積，室溫下既可沉積致密均勻薄膜。
3.本發(fā)明入射粒子能量高，膜層致密度高、強(qiáng)度和耐久性好。
4.本發(fā)明沉積速度快，成膜速度快，可鍍厚膜。
5.本發(fā)明繞鍍性好。從鉻靶陰極直接產(chǎn)生等離子體，不用熔池，鍍膜過程中靶材保持固體狀態(tài)，因而方位任意，可實(shí)現(xiàn)多源聯(lián)合鍍覆，轉(zhuǎn)動基板機(jī)構(gòu)簡單，并可實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)或自轉(zhuǎn)，所以可鍍覆任何形狀的基體，繞鍍性好。
6.本發(fā)明所用設(shè)備簡單，采用低電壓電源工作，使用安全，反應(yīng)鍍膜時，氣氛的控制也是簡單的全壓力控制。
7.本發(fā)明成本低。采用純鉻靶，Ar氣作保護(hù)原料，O2作反應(yīng)原料，其原料易得，且成本低。
8.本發(fā)明無污染。由于不采用毒性、腐蝕性和危險性的氣體，所以不存在環(huán)境污染。
9.本發(fā)明應(yīng)用范圍廣。氧化鉻涂層可作為微電子器件的阻擋層和磨損器件的保護(hù)層。另外，Cr2O3薄膜太陽能吸收性能高和熱發(fā)散性差，作為太陽能吸收器的選擇吸收層。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中不同氧流量下沉積的Cr2O3薄膜的X射線衍射譜。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例2中不同脈沖偏壓下沉積的Cr2O3薄膜的X射線衍射譜。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例3中不同弧電流下沉積的Cr2O3薄膜的X射線衍射譜。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用電弧離子鍍法，制備了氧化鉻涂層。該技術(shù)原理主要基于冷陰極真空放電理論，引弧電極在與陰極表面接觸與離開的瞬間引燃電弧，一旦電弧被引燃，低壓大電流電源將維持陰極和陽極之間弧光放電過程的進(jìn)行，其電流一般為10～100安，工作電壓為15-40V。這些輝點(diǎn)猶如很小的發(fā)射點(diǎn)，每個點(diǎn)的延續(xù)時間很短，約為幾至幾千微秒，在此時間結(jié)束后，電流就分布到陰極表面的其它點(diǎn)上建立起足夠的發(fā)射條件，致使輝點(diǎn)附近的陰極材料大量地蒸發(fā)。
實(shí)施例1所用設(shè)備為MIP-8-800型離子鍍膜機(jī)，用純鉻作為陰極靶，陽極和真空室相連，陰極和陽極分別接在低壓、大電流直流電源的負(fù)極和正極，其電流為50A，電壓為20V；基體尺寸為15mm×10mm×2mm，材質(zhì)為18-8不銹鋼，基體經(jīng)金相砂紙研磨拋光，在丙酮中用超聲波清洗15min，吹干后，放置于真空沉積室中的樣品臺上，基體與靶材的間距約為240mm，真空度達(dá)到8×10-3Pa時，先通入Ar氣，壓力為7×10-2Pa，鍍膜前加-1000V的高偏壓，所述高偏壓為直流偏壓，利用輝光放電轟擊基體表面2min，弧電流Ia50A，弧電壓20V，對基體轟擊完后，通入氧氣，只改變氧流量60～190sccm，工作壓強(qiáng)6.0×10-1Pa，脈沖偏壓為-300V，占空比為20％，沉積時間為30min，整個過程中均通入Ar氣。
如圖1所示，S代表基體，結(jié)果表明利用電弧離子鍍法可成功制備出Cr2O3薄膜。低氧流量時，在Cr2O3薄膜中發(fā)現(xiàn)存在未完全反應(yīng)的Cr，其含量隨氧流量的增加而減小，氧流量對Cr2O3薄膜的擇優(yōu)取向有較大影響，沉積速率隨氧流量的增加而緩慢減小，在FO2＝130sccm時，存在一明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，超過130sccm后，沉積速率下降非常緩慢。
氧流量對薄膜的表面形貌有較大影響。低氧流量時，表面熔滴大且尺寸不均勻，數(shù)量多；氧流量較高時，表面熔滴小且均勻，數(shù)量少。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處是直流電源的電流為100A，電壓為40V；基體尺寸為15mm×10mm×2mm，材質(zhì)為18-8不銹鋼，基體經(jīng)金相砂紙研磨拋光，在酒精中用超聲波清洗15min，吹干后，放置于真空沉積室中的樣品臺上，基體與靶材的間距約為150mm，裝爐后將真空室抽至真空度為6.0×10-3Pa，通入Ar氣，壓力為5×10-2Pa，鍍膜前加-700V的高偏壓，所述高偏壓為脈沖偏壓；利用輝光放電轟擊基體表面5min，弧電流Ia50A，弧電壓20V；對基體轟擊完后，通入氧氣，氧流量130sccm，工作壓強(qiáng)4.0×10-1Pa，只改變脈沖偏壓0～-400V，占空比為20％，沉積時間為30min。
如圖2所示，S代表基體，結(jié)果表明偏壓對薄膜的擇優(yōu)取向有較大的影響。在偏壓為-100V時，Cr2O3呈現(xiàn)出(006)晶面擇優(yōu)取向；隨著偏壓的增加，(006)晶面X射線衍射峰消失，(300)晶面X射線衍射峰強(qiáng)度增加且為主要擇優(yōu)取向。Cr2O3薄膜的沉積速率隨偏壓增加而增大，但當(dāng)偏壓超過-200V時，沉積速率反而下降。這是由于較高偏壓下，離子轟擊作用增強(qiáng)，濺射過程明顯所致。無偏壓時，薄膜表面大熔滴多而尺寸不均勻；加偏壓后，熔滴明顯減少；隨著偏壓的增大，轟擊作用增強(qiáng)，薄膜的表面質(zhì)量得到改善。偏壓對Cr2O3薄膜的硬度影響明顯隨著偏壓的增大，硬度值增加，在Vp＝-200V硬度值達(dá)到最大為36GPa。
實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處是直流電源的電流為75A，電壓為30V；基體尺寸為15mm×10mm×2mm，材質(zhì)為18-8不銹鋼，基體經(jīng)金相砂紙研磨拋光，在丙酮中用超聲波清洗15min，吹干后，放置于真空沉積室中的樣品臺上，基體與靶材的間距約為280mm，裝爐后將真空室抽至真空度為6.0×10-3Pa，將基體加熱至150℃后通入Ar氣，壓力為6×10-2Pa，鍍膜前加-800V的高偏壓，所述高偏壓為脈沖偏壓；利用輝光放電轟擊基體表面3min，只改變弧電流Ia30～60A，弧電壓20～40V；對基體轟擊完后，通入氧氣，氧流量130sccm，工作壓強(qiáng)8.0×10-1Pa，脈沖偏壓為-300V，占空比為20％，沉積時間為30min。
如圖3所示，S代表基體，結(jié)果表明弧電流對氧化鉻涂層的組織結(jié)構(gòu)和表面形貌有較大影響。在Ia＝30A時，出現(xiàn)了Cr2O3薄膜的(300)晶面X射線衍射峰的擇優(yōu)取向。隨著弧電流的增大，(300)晶面X射線衍射峰的強(qiáng)度逐漸減小，而(104)、(110)晶面X射線衍射峰逐漸增強(qiáng)。隨著電流的減小，膜層表面的熔滴明顯減少，尺寸均勻，基本上無大顆粒，膜層致密且無孔洞。
權(quán)利要求
1.一種氧化鉻涂層制備工藝，其特征在于采用電弧離子鍍法，以純鉻作為陰極靶，陽極和真空室相連，陰極和陽極分別接在低壓、大電流直流電源的負(fù)極和正極，所述直流電源的電流為10～100A，工作電壓為15～40V，具體步驟如下1)拋光、清洗，基體經(jīng)金相砂紙研磨拋光，在丙酮或酒精中用超聲清洗預(yù)處理；2)裝爐后將真空室抽至真空度為2.0×10-2～6.0×10-3pa，通入Ar氣，壓力為5×10-2～8×10-2Pa，鍍膜前加-700V～-1000V的高偏壓；3)利用輝光放電轟擊基體表面2～5min，弧電流Ia30～60A，弧電壓15～40V；4)對基體轟擊完后，通入氧氣，氧流量60～270sccm，工作壓強(qiáng)4.0～8.0×10-1Pa，脈沖偏壓Vp0～-500V，占空比為0～40％。
2.按照權(quán)利要求1所述氧化鉻涂層制備工藝，其特征在于真空室抽真空后，將基體加熱至100～200℃后，再通入Ar氣。
3.按照權(quán)利要求1或2所述氧化鉻涂層制備工藝，其特征在于高偏壓為直流偏壓或脈沖偏壓。
4.按照權(quán)利要求1或2所述氧化鉻涂層制備工藝，其特征在于基體與靶材間距為150～300mm。
5.按照權(quán)利要求1或2所述氧化鉻涂層制備工藝，其特征在于基體為鐵基、鎳基合金、硬質(zhì)合金或陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧化鉻涂層制備工藝，采用電弧離子鍍法，以純鉻作為陰極靶，陽極和真空室相連，陰極和陽極分別接在低壓、大電流直流電源的負(fù)極和正極，所述直流電源的電流為10～100A，工作電壓為15～40V，用氧氣作反應(yīng)氣體，用Ar氣作保護(hù)氣體，鍍膜前加－700V～－1000V的高偏壓，利用輝光放電轟擊基體表面2～5min，弧電流I
文檔編號C23C14/38GK1506492SQ0214470
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月6日
發(fā)明者孫超, 紀(jì)愛玲, 聞立時, 王啟民, 汪偉, 汪愛英, 鄭靜地, 肖金泉, 曹鴻濤, 柯培玲, 超 孫 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所