CN1034679C - 全元素离子束材料表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及全元素离子束材料表面改性方法，该方法是在离子溅射源通入氩气，从靶材上溅射下的原子沉积在工件表面，同时离子注入源引出气体离子、金属、碳、硅或硼单一离子束或者同时引出气体和金属离子束注入到工件表面，制备硬质膜、合金膜和功能膜层。本方法可以完成全元素离子束增强沉积、气体离子注入、金属离子注入和复合离子注入。该方法可广泛应用于宇航、石油化工、机械工程的电子工程。
Description
本发明属于材料表面改性方法。
在现有的材料表面改性方法中，通常包括离子注入、离子束辅助沉积、真空离子镀膜等方法。其中，离子注入方法有气体离子注入和金属离子注入方法；离子束辅助沉积局限于气体离子束(如氮气、氩气、氙气等)辅助沉积，只能形成TiN、ZrN等膜或离子束混合膜层；真空镀和离子镀具有较高的沉积效率，但膜层与基体之间过滤区窄、结合力较差。
本发明的目的在于提供一种多功能材料表面改性方法，除完成现有离子注入方法、离子束辅助沉积外，还可完成气体-固体离子复合注入方法、金属离子束增强沉积膜、多层膜和复合膜的表面改性方法。使用范围广，所以称为全元素离子束材料表面改性。
本发明的技术内容：
将清洗的工件(3)放在真空室(1)内的可转动水冷工件台(2)上，真空抽至10-4～10-3Pa。
离子溅射源(5)通入氩气，形成氩离子束，射到原子束溅射靶(6)上，靶材可采用一种材料或多种材料组合靶，从靶材上溅射下原子，沉积在工件(3)表面上。与此同时，由离子注入源(4)引出气体离子束、碳、硅或硼单一离子束，或者同时引出气体和金属离子束注入到工件表面，形成各种功能膜和多层复合膜，如超硬膜、光学膜、电导膜和超导膜等。
向全元素离子注入源(4)中通入气体，如N2、Ar、BH4、CH4，离子化后在引出***作用下，引出气体离子束进行气体离子注入；接通导电固体阴极(如纯金属、石墨碳、化合物)的触发电源，形成真空弧，产生的固体蒸气离化后，在引出***作用下，引出金属或其它离子束，进行金属等离子注入；若触发二个以上导电固体阴极时，进行金属复合离子注入；同时触发气体和固体阴极，进行气体—金属元素复合离子注入。
本发明的技术特点和指标：
1.真空室(1)极限真空度10-4Pa。
2.离子注入源(4)是脉冲全元素离子注入***，可以进行气体离子注入、固体(金属或其它导电体)离子注入、气体—固体离子同时注入，其中固体阴极可为单种材料引出单元素离子束；也可由多种材料组合，同时触发引出多元素离子束。
技术指标：引出电压20～100KV，束流强度：气体离子束流强0～200mA、金属离子束流强0～250mA，脉冲频率10-50Hz可调。
3.离子束溅射源(5)
技术指标：引出电压2-20KV，束流强度400mA。
4.溅射靶(6)为水冷式结构，靶材由单种金属材料或多种材料组合制成。
实现本发明材料表面改性实施例如下：
1.金属离子增强沉积膜
在玻璃或铜基体材料上，铝离子增强沉积铝膜。金属离子注入源：固体阴极纯铝制成，引出电压40-50KV，抑制电压3KV，触发电压200V，脉冲频率50Hz。离子溅射源：引出电压3KV，氩离子束流强度200mA，溅射靶材为纯铝，沉积率2/s。沉积膜厚1000～5000，结合强度大于0.3MPa。
在变更金属离子束和金属沉积原子束种类时，形成不同成分组成的金属离子增强沉积膜，如铝离子增强沉积铜铝合金膜，钼离子增强沉积钼铝合金膜等。
2.复合超硬膜
离子溅射源：引出电压5KV，氩离子束流强250mA，溅射靶为纯钛，沉积率1/s。
a)离子注入源中通入氮气、引出电压50KV，抑制电压2.2KV，触发电压150V，频率50Hz。形成TiN膜，硬度Hk2000～2400。
离子注入源中，固体阴极分别由石墨碳和金属铪组合。
b)同时进行氮离子和碳离子束增强沉积，氮离子束参数同上，石墨碳触发电压220V，气体和固体触发脉冲起始间隔300μs。形成Ti(C.N)过滤膜层。
c)停止氮离子注入***，进行碳离子增强沉积，参数为引出电压50KV，抑制电压2.5KV，触发电压200V，脉冲频率50Hz，形成TiC膜层，硬度Hk3000～3200。
d)同时触发碳和铪，进行碳—铪离子增强沉积，引出电压60KV，抑制电压3KV，触发电压200V，脉冲频率50Hz，形成(Ti、Hf)C膜层，膜层硬度Hk3800～4000。
通过上述工艺过程，形成过渡区200～300的高结合强渡的TiN/Ti(NC)/TiC(Ti·Hf)C复合多层超硬膜。
在变更上述气体及金属离子束种类、注入顺序和金属沉积原子束种类时，能够形成多层复合沉积膜，如碳化钨/碳化钛等复合膜。
本发明技术具有气体离子注入、金属离子注入、离子复合注入、全元素离子束增强沉积等功能，适合于金属材料、光学膜、电导膜、半导体材料等表面改性。
本发明可广泛应用于宇航、石油化工、机械工程、电子工程等领域。
全元素离子束材料表面改性技术说明书附图说明如下：
附图是用于全元素离子束材料表面改性方法的设备图。图中：
(1)真空室；
(2)转动水冷工件台；
(3)工件；
(4)全元素离子注入源，该离子源可单独产生气体离子束、金属离子束和同时产生气体——金属离子束；
(5)离子溅射源；
(6)原子束溅射靶。
Claims (1)
1.全元素离子束材料表面改性方法，是在由真空室(1)、水冷工件台(2)、工件(3)、全元素离子束注入源(4)、离子溅射源(5)、原子溅射靶(6)等组成的设备中完成的，其特征在于：将清洗的工件(3)放在真空室(1)内的可转动水冷工件台(2)上，真空抽至10-4～10-3Pa，离子溅射源(5)通入氩气，形成氩离子束，射到原子束溅射靶(6)上，从靶材上溅射下原子，沉积在工件(3)表面上；与此同时，由离子注入源(4)引出气体离子束、金属、碳、硅或硼单一离子束，或者同时引出气体和金属离子束注入到工件表面，形成各种功能膜和多层复合膜。
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