一种类金刚石薄膜的磁靴增强磁控溅射镀膜装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于物理气相沉积领域，涉及一种类金刚石薄膜的磁靴增强磁控溅射镀膜装置及方法，可以用于金属薄膜、氮化物薄膜和碳化物薄膜的生长。
【背景技术】
[0002]类金刚石碳膜具有许多与金刚石相似的性能，如高硬度、低摩擦系数、高耐磨性以及良好的化学稳定性、导热性、电绝缘性、光透过性和生物相容性等，其作为新型功能薄膜材料，在许多领域都有着巨大的应用前景。此外，相对于金刚石薄膜，类金刚石碳膜又具有许多独特的优点，如沉积温度低、沉积面积大、沉积条件简单、膜面平整光滑等，使得金刚石薄膜并不能完全取代它，特别是在某些要求沉积温度低、膜面粗糙度小的场合。
[0003]近年来，随着国IV、国V标准的实施，国内零配件企业面临技术落后、竞争力欠缺等困境。内燃机工业“十二五”发展规划指出:〃提高核心零部件制造企业的自主创新能力和技术竞争力是行业当前面临的首要问题〃。"节能与新能源汽车产业发展规划"也提出了突破低阻零部件等技术，大幅提高发动机水平。通过采用低摩擦技术，短期内可提高发动机效率20%，而未来15-25年内可提高到60%以上。
[0004]一般，发动机在稳定运行阶段处于全膜润滑，即液体润滑，而在低速或运行停止阶段时处于混合、边界润滑状态。发动机关键零部件失效大量与摩擦磨损有关，主要体现在高压共轨燃油喷射系统柱塞偶件、气门挺柱、挺杆、活塞环、活塞销、凸轮轴等摩擦副上。摩擦副元件两金属表面相互摩擦，由于彼此粗糙度和硬度有别或受到游离坚硬颗粒在其间滑动引起会引起元件的磨料磨损；摩擦副两摩擦表面在交变剪切应力反复或长期作用下，达到或超过表面材料持久极限强度后，会导致元件产生疲劳磨损；如，高压共轨燃油喷射系统往往工作压力高、流量大，摩擦副间温度较高，导致这些摩擦副之间多处于半流体润滑和边界润滑状态，在摩擦条件趋向苛刻的过程中，一旦润滑表面不能形成连续油膜或油膜破裂时，就造成摩擦表面的直接接触即干摩擦，零件接触面间摩擦阻力增大，零件表面层温度进一步升高，严重时零件表层金属软化，导致粘着磨损的发生。因此，单纯依赖液体润滑难以满足高技术重型柴油机运动部件摩擦副的润滑需要。对于发动机来说，迫切需要研究和发展具有超低摩擦、低磨损、高承载、高可靠性、长寿命、多环境适应性等特性的新一代高性能低摩擦固体润滑材料。
[0005]作为一类优秀的固体润滑薄膜，类金刚石碳膜在汽车领域得到了越来越广泛的技术应用，在不能进行油润滑的燃油这种严酷滑动环境中，为改善耐磨性可采用类金刚石碳膜。
[0006]但是，由于发动机运行环境苛刻，现有的类金刚石碳膜内应力大、与钢附着力不好、机械性能差、在外力作用下容易剥落，不能满足发动机运行环境的要求。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种与基底结合牢固、摩擦系数低、耐磨性能强的类金刚石薄膜的磁靴增强磁控溅射镀膜装置及方法。
[0008]一种类金刚石薄膜的磁靴增强磁控溅射镀膜装置，该装置包括磁控溅射靶，其特征在于所述磁控溅射靶前设有磁靴，其中磁靴由一对磁场相反的电磁铁组成，磁靴产生的磁场平行于磁控溅射靶的靶面。
[0009]所述磁靴产生的电磁场由恒流电源供电。
[0010]所述磁控溅射靶为金属靶。
[0011]所述金属靶为钛、铬、钼或铌靶。
[0012]所述磁控溅射靶所用电源为直流、交流、中频脉冲、直流脉冲、或高功率脉冲电源。
[0013]使用上述装置制备类金刚石薄膜的方法，其特征在于:将基底、磁靴、磁控溅射靶置于真空腔体中，抽真空开始充气镀膜；开启磁控溅射靶，开启磁靴，基底在腔内做行星公转，首先制备金属粘结层；在氮气和氩气混合气氛下，调节气体流量比，制备一层金属氮化物强化层；通入甲烷或者乙炔气体，随着反应气体的增加，依次形成碳氮化金属层、金属掺杂的碳氮层及氮掺杂的类金刚石薄膜。
[0014]本发明的基本思想是磁靴增强磁控溅射镀膜装置，通过调整磁靴的场强来增强磁控溅射的离化率和离子能量，实现多层复合类金刚石碳膜与基底结合牢固、摩擦系数低、耐磨性能强的方法。
[0015]本发明对比现有技术具有以下创新点:
1、使用平行于磁控溅射靶的额外磁场增加了等离子体密度和靶材离化率。
[0016]2、具磁靴增强磁控溅射镀膜装置可以有效提高类金刚石薄膜的结合力。
[0017]本发明对比现有技术具有以下显著优点:
1、磁靴增强磁控溅射镀膜装置离化率可以由原来的10%提高到60%。
[0018]2、具磁靴增强磁控溅射镀膜装置提高了磁控溅射的镀膜窗口和工艺的稳定性。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的结构示意图。
[0020]图2为本发明制备的薄膜的结合力测试图。
[0021]图中:1_磁控溅射靶2-镀膜区域3-磁靴。
【具体实施方式】
[0022]实施例1
如图1所示，一种类金刚石薄膜的磁靴增强磁控溅射镀膜装置，该装置包括磁控溅射靶1，磁控溅射靶I前设有磁靴3，其中磁靴3由一对磁场相反的电磁铁组成，磁靴3产生的磁场平行于磁控溅射靶I的靶面。
[0023]磁靴3产生的电磁场由恒流电源供电。
[0024]磁控溅射靶I为金属靶。
[0025]金属靶为钛、铬、钼或铌靶。
[0026]磁控溅射靶I所用电源为直流、交流、中频脉冲、直流脉冲、或高功率脉冲电源。
[0027]使用上述装置制备类金刚石薄膜的方法，将基底、磁靴3、磁控溅射靶I置于真空腔体中，抽真空开始充气镀膜；开启磁控溅射靶1，开启磁靴3，基底在腔内做行星公转，首先制备金属粘结层；在氮气和氩气混合气氛下，调节气体流量比，制备一层金属氮化物强化层；通入甲烷或者乙炔气体，随着反应气体的增加，依次形成碳氮化金属层、金属掺杂的碳氮层及氮掺杂的类金刚石薄膜。
[0028]实施例2
采用图1所示装置实现结合牢固、摩擦系数低、耐磨性能强的多层复合类金刚石碳膜的制备；
1、常规的清洗:除油、除锈、烘干放进真空室；
2、当背底真空达到IX 10 4时开始镀膜，用氩离子轰击清洗，氩气控制在0.6-5 Pa，偏压800-1000V，导通比0.2-0.8，频率10_50KHz，清洗10分钟；
3、打开磁控溅射钛靶，电流9A，占空比0.6-0.8，频率10-20KHZ，偏压设置为400-600V，导通比0.4-0.6，频率10-5000 Hz，氩气0.4_2Pa ;沉积10-20分钟；电磁线圈电流1A ;沉积金属100-200纳米；
4、沉积氮化物层，磁控电流9A，氮气和氩气比例1:2，偏压150V，导通比0.6，频率5000Hz ;电磁线圈电流1A ;沉积氮化金属300纳米；
5、沉积碳氮化金属/金属掺杂碳氮层，磁控电流9A，氮气和氩气比例1:2，偏压150V,导通比0.6，频率5000 Hz ；电磁线圈电流1A ;甲烷气体40分钟从1sccm调整到250sccm，沉积厚度500纳米；
6、关机冷却后得到多层复合类金刚石碳膜，呈黑色，结合力测试50N，满足工业需求，所述方法制备的涂层具有高结合力、超韧的特性。
【主权项】
1.一种类金刚石薄膜的磁靴增强磁控溅射镀膜装置，该装置包括磁控溅射靶(I )，其特征在于所述磁控溅射靶(I)前设有磁靴(3)，其中磁靴(3)由一对磁场相反的电磁铁组成，磁靴(3)产生的磁场平行于磁控溅射靶(I)的靶面。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述磁靴(3)产生的电磁场由恒流电源供电。3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述磁控溅射靶(I)为金属靶。4.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述金属靶为钛、铬、钼或铌靶。5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述磁控溅射靶(I)所用电源为直流、交流、中频脉冲、直流脉冲、或高功率脉冲电源。6.使用如权利要求1至5任意一项所述装置制备类金刚石薄膜的方法，其特征在于:将基底、磁靴(3)、磁控溅射靶(I)置于真空腔体中，抽真空开始充气镀膜；开启磁控溅射靶(1)，开启磁靴(3)，基底在腔内做行星公转，首先制备金属粘结层；在氮气和氩气混合气氛下，调节气体流量比，制备一层金属氮化物强化层；通入甲烷或者乙炔气体，随着反应气体的增加，依次形成碳氮化金属层、金属掺杂的碳氮层及氮掺杂的类金刚石薄膜。
【专利摘要】本发明属于物理气相沉积领域,公开了一种类金刚石薄膜的磁靴增强磁控溅射镀膜装置，该装置包括磁控溅射靶，磁控溅射靶前设有磁靴，其中磁靴由一对磁场相反的电磁铁组成，磁靴产生的磁场平行于磁控溅射靶的靶面。本发明磁靴增强磁控溅射镀膜装置离化率可以由原来的10%提高到60%。本发明还公开了一种类金刚石薄膜的磁靴增强磁控溅射镀膜方法，该方法制备的涂层具有高结合力、超韧的特性。
【IPC分类】C23C14/35, C23C14/06
【公开号】CN105200384
【申请号】CN201510705273
【发明人】张斌, 张俊彦, 高凯雄, 强力
【申请人】中国科学院兰州化学物理研究所
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年10月27日