中频磁控溅射制备类金刚石薄膜的功率因素研究.pdfVIP

第 38 卷 增刊 2 稀有金属材料与工程 Vol.38, Suppl.2 2009 年 12 月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING December 2009 中频磁控溅射制备类金刚石薄膜的功率因素研究 邬苏东，彭志坚，陈新春，杨义勇，王成彪，付志强 （中国地质大学，北京 100083 ） 摘 要：采用 SP0806AS 中频磁控溅射镀膜机，在硅（100）和高速钢基体上，采用双石墨靶在不同功率下沉积了类金 刚石薄膜。研究表明，在功率为 5~7 kW 下薄膜具有较低的 ID/IG 比；所得薄膜表面平整，粗糙度Ra 值在 1.5~2.8 nm 之 间，薄膜厚度随功率增加而增大；在 100~200 nm Ti 膜作为过渡层条件下，薄膜纳米硬度和弹性模量随功率增加呈先增 大后减小趋势，硬度/杨氏模量比值先增大后减小，当功率为 7 kW 时具有较高值；划痕实验临界载荷随功率增加先增 大后减小，最大可大于 50 N ；薄膜的摩擦系数较小，平均摩擦系数可小于 0.15 ；在 50 g 载荷下，薄膜磨穿的时间超过 300 min 。确定 SP0806AS 中频磁控溅射镀膜机沉积类金刚石薄膜的最佳功率范围是 5~7 kW 。 关键词：中频磁控溅射；类金刚石薄膜；摩擦磨损性能 中图法分类号：TB43 ；TG115.5+ 8 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2009)S2-0579-04 类金刚石薄膜（DLC ）具有高硬度、高弹性模量、 将硅（100）基片用金属清洗剂超声清洗 10 min 后， 低摩擦系数、高化学惰性以及良好光学透过性和生物 用去离子水分两次超声清洗各 10 min，再用丙酮漂洗 相容性等特点，自问世以来一直受到各国重视，在电 后吹干，装入镀膜机，高速钢经镜面抛光后直接在丙 [1] 子、机械、光学、医学等领域得到广泛应用 。 酮浴中超声清洗 20 min 后吹干装入镀膜机；待真空室 很多方法，包括化学气相沉积[2] 、过滤真空弧 抽至本底真空 2.0×10-3 Pa 后先用氩气（99.999 %体积 [3] [4] （FCVC ） 、等离子浸没离子注入与沉积（PIII-D ） 、 分数）在 2.0 Pa 分压下清洗基片，再沉积薄膜。为增 微波等离子体[5] 和磁控溅射技术[6] 等都可用来制备 加基体与薄膜之间的粘结力，在基体表面先沉积一层 DLC 膜。其中磁控溅射技术具有沉积温度低、均匀面 100~200 nm 厚的 Ti 、Ti/C 过渡层。主要工艺参数为： 积大、过程易于控制以及沉积速率较高等特点，可用于 Ar 溅射分压为 0.4 Pa ；基底温度 150 ℃；偏压–100 V ； 工业生产中。而随后发展起来的中频非平衡磁控溅射技 偏压占空比为 50% ；石墨靶恒功率设置，功率变化为 术在此基础上，克服了基片附近离子密度小的缺点，它 3~8 kW ，工件在镀膜过程中随工件架旋转。 通过中频脉冲放电，大大改善了等离子体特性，使达到 样品形貌和厚度用 Micro XAM-3D 型三维白光干 基片的离子具有比直流磁控溅射更大的能量流[6] ；此 涉表面形貌仪测定；Raman 光谱用 RM2000 型显微共 外，在溅射出的原子和粒子沉积在基片表面形成薄膜 焦拉曼光谱仪记录（波长 514.5 nm，光斑直径 5 µm ）； 的同时，等离子体以一定能量和密度轰击基