本發明涉及一種類金剛石薄膜的制備方法，特別涉及一種含氫摻鋁類金剛石薄膜的制備方法。

背景技術：

類金剛石薄膜是一類主要由碳原子組成的亞穩態非晶材料，它具有高硬度和高彈性模量、優異的減摩耐磨性能、良好的光學透過性、高導熱率以及優異的化學惰性以及生物相容性等一系列優異的性能，在汽車、微電子機械、光學薄膜、生物醫學防護、裝飾美化等很多領域具有廣泛的應用前景。然而，由于薄膜沉積技術的制約，類金剛石薄膜普遍存在內應力極大的缺陷，其內應力甚至可高達10gpa，這不僅導致薄膜與基體之間的結合強度差而引起在使用期間提前剝落失效，還使得大厚度的類金剛石薄膜難以制備，極大地限制了其優異性能在工程領域的大規模應用。目前，常見的降低類金剛石薄膜內應力的方法是在薄膜碳基網絡中摻入異質元素，如w、cr、ti、al、si、f等。其中，在類金剛石薄膜中摻入適量的al元素，由于其不與碳原子形成碳化物而以單質的形式存在于碳基網絡之中，這不但可以極大程度地降低薄膜內應力，提高薄膜韌性，還可以促進薄膜在摩擦過程中石墨化轉變從而獲得極低的摩擦系數。因此，采用合適的技術手段制備出這種硬度適中、應力低、摩擦系數低、耐磨性好的類金剛石薄膜，具有重要的意義和經濟價值。

目前，盡管研究報道的含氫摻鋁類金剛石薄膜的制備方法很多，例如：cn200810150860.8公開了一種含氫摻鋁類金剛石碳膜及其制備方法。張廣安等人（《摩擦學學報》，2008,28（2））利用中頻磁控濺射鋁靶和直接向真空室內通入甲烷，通過在基體上施加-1000v以上的高偏壓離化甲烷氣體沉積含鋁類金剛石薄膜，研究表明，需要在-1600v以上的高偏壓下制備的薄膜才具有較好的減摩耐磨性能。然而，由于實際生產過程中樣品和夾具的形狀復雜，施加的高偏壓容易引起爐腔內“打火”和樣品表面局部因高能離子轟擊受到損傷，難以滿足精密部件的應用要求。b.k.tay等人（《diamondandrelatedmaterials》,2001,10）采用過濾陰極電弧離子鍍制備了含鋁的類金剛石薄膜，然而，這種陰極電弧離子鍍沉積類金剛石薄膜則普遍存在陰極靶蒸發過程中產生的“液滴”和“大顆粒”問題，使得薄膜的粗糙度很高而大大降低薄膜的性能。

采用陽極層流型氣體離子源制備含氫類金剛石薄膜是利用陽極層流型離子源離化甲烷或乙炔碳氫氣體，可以在-100~-300v的低偏壓下沉積類金剛石薄膜。由于離子源的離化率較高，因而這種技術可以實現大面積、穩定、快速、均勻地制備類金剛石薄膜。此外，這種離子源技術還可以結合磁控濺射技術制備含氫的元素摻雜類金剛石薄膜。然而，若采用直流電源控制磁控濺射鋁靶結合離子源制備摻鋁含氫類金剛石薄膜，在常規的直流濺射模式下，鋁靶表面會產生因在沉積的過程中附著了不導電的碳而出現“打火”和“靶中毒”，使得al原子濺射不出來，無法保證類金剛石薄膜中的摻雜含量，而采用射頻電源的磁控濺射方法又存在沉積效率低下和射頻電源設備對操作人員的健康隱患問題。中頻電源控制的磁控濺射孿生靶由于工作時交替作為陰極或陽極，可有效地抑制靶面“打火”和“陽極消失”的現象，還能提高膜層的沉積速率。

技術實現要素：

本發明為了克服當前制備摻鋁類金剛石薄膜存在的問題，提出了一種能夠實現快速、穩定地沉積膜/基結合強度高、摩擦系數和磨損率低的含氫摻鋁類金剛石薄膜制備方法。

本發明含氫摻鋁類金剛石薄膜的制備方法，步驟如下：

1）將除油清洗后的基材置于真空室中工件架上，抽真空至本底真空度＜3×10^-3pa；

2）將氬氣通入離子源中，保持壓力為0.3~0.4pa，調節離子源電流至1.0~1.5a，同時在基材上施加-700~-800v偏壓，對基體表面進行離子清洗和表面活化20~30分鐘；

3）離子清洗和表面活化后，將基體偏壓降至-100~-200v，通入流量為30~60sccm的甲烷或乙炔和流量為80~120sccm的氬氣，鋁靶電流為1.0~3.0a，離子源電流為1.0~1.5a，沉積氣壓為0.35~0.5pa，沉積60~240分鐘，鍍膜結束，待爐內溫度降至室溫，基體表面得到含氫摻鋁類金剛石薄膜。

本發明所述基體材料為模具鋼、不銹鋼、硬質合金或單晶硅片。

采用此種方法可以有效地克服“靶中毒”和陽極消失，并抑制靶面打火現象，從而可長時間穩定地實現向碳基網絡中摻雜鋁原子，快速穩定沉積摻鋁類金剛石薄膜。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本發明專利作進一步地詳細說明，但不作為對本發明專利的限定。采用中頻磁控濺射孿生鋁靶復合陽極層流型離子源離化碳氫氣體的技術在基體材料表面沉積含氫摻鋁類金剛石薄膜。

實施例1

1.模具鋼鋼片除油烘干后，固定在真空室內的樣品轉架上，然后將本底真空抽至2.5×10^-3pa；

2.將氬氣通入離子源，開啟離子源電源并調節其電流為1.0a，保持爐內壓強為0.3pa，開啟基體脈沖偏壓電源逐步升高至-700v，對樣品表面進行離子轟擊清洗20分鐘；

3.打開鋁靶中頻電源，調節其電流至1.0a，向離子源中通入甲烷氣體（30sccm）和氬氣（80sccm），保持離子源電流為1.0a，保持基體偏壓為-100v，工作氣壓為0.35pa，沉積含氫摻鋁類金剛石薄膜60分鐘；沉積結束后，關閉靶材和偏壓電源并保持真空，待樣品冷卻至室溫后取出。

實施例2

1.將不銹鋼鋼片在丙酮中超聲波輔助清洗烘干后，固定在真空室內的樣品轉架上，本底真空抽至3.0×10^-3pa；

2.將氬氣通入離子源，開啟離子源電源使其電流為1.5a，保持爐內壓強為0.4pa，開啟基體脈沖偏壓電源逐步升高至-800v，對樣品表面進行離子轟擊清洗30分鐘；

3.然后向離子源中通入流量為50sccm的甲烷氣體和100sccm的氬氣，調節鋁靶電流至2.0a，基體偏壓為-150v，工作氣壓為0.44pa，沉積含氫摻鋁類金剛石薄膜120分鐘；沉積結束后，關閉靶材和偏壓電源，保持真空，待樣品冷卻至室溫后，打開爐門取出樣品。

實施例3

1.將硬質合金鋼片在丙酮中超聲波輔助清洗烘干后，固定在真空室內的樣品轉架上，本底真空抽至3.0×10^-3pa；

2.將高純氬氣通入離子源，開啟離子源電源并調節其電流為1.5a，保持爐內壓強為0.4pa，開啟基體脈沖偏壓電源逐步升高至-800v，對樣品表面進行離子轟擊活化30分鐘；

3.離子清洗后，向離子源中通入流量為60sccm乙炔氣體和120sccm的氬氣，同時調節鋁靶電流至3.0a，基體偏壓為-200v，離子源電流為1.5a，工作氣壓為0.5pa，沉積含氫摻鋁類金剛石薄膜240分鐘；沉積結束后，關閉靶材和偏壓電源，保持真空，待樣品冷卻至室溫后取出樣品。

本發明制備的含氫摻鋁類金剛石薄膜的主要性能指標如表1所示。

表1含氫摻鋁類金剛石薄膜的主要性能指標和測試標準

*在大氣環境中，采用球盤式摩擦試驗機，載荷為4.9n，滑動速度為0.2m/s，與si3n4陶瓷球對磨。