CN1208498C - 一种氧化铬涂层制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氧化铬涂层制备工艺,采用电弧离子镀法,以纯铬作为阴极靶,阳极和真空室相连,阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极,所述直流电源的电流为10~100A,工作电压为15~40V,用氧气作反应气体,用Ar气作保护气体,镀膜前加-700V~-1000V的高偏压,利用辉光放电轰击基体表面2~5min,弧电流Ia:30~60A,弧电压:15~40V,对基体轰击完后,通入氧气,氧流量:60~270sccm,工作压强:4.0×10-1~8.0×10-1Pa,脉冲偏压Vp:0~-500V,占空比为0~40%。采用本发明经济、无公害、沉积速度快,可在低温下沉积且致密度高。
Description
技术领域
本发明涉及氧化铬涂层,具体地说是一种氧化铬涂层制备工艺。
背景技术
在所有矿物和氧化物中,Cr2O3是最硬的材料之一。它具有极好的化学稳定性、抗高温性能、摩擦系数小等特点,可作为微电子器件的阻挡层和磨损器件的保护层。另外,Cr2O3薄膜太阳能吸收性能高和热发散性差,作为太阳能吸收器的选择吸收层,也已经受到人们的广泛关注。以前研究结果表明,Cr2O3薄膜耐磨性能好和摩擦系数低,但硬度低于Cr2O3块体硬度值。
最近几年,哥伦布(美国俄亥俄州首府)的布山(Bhushan)等人在文献:[磁记录用氧化铬薄膜的摩擦性能研究(Tribological studies of chromium oxide films formagnetic recording applications),Bharat Bhushan,Gerad S.A.M.Theunissen,Xiaodong Li,固体薄膜(Thin Solid Films 311(1997)67~80)]中记载了利用溅射法制备出200nm厚的缺氧Cr2O3薄膜,其硬度值最高为29.5GPa。
瑞士(欧洲中部国家)的洪斯(P.Hones)等人在文献:[溅射工艺对Cr2O3薄膜的力学性能研究(Influence of depositon parameters on mechanical properties ofsputter-deposited Cr2O3 thin films),P.Hones and F.Levy,材料研究学报(J.Mater.Res.,Vol.14.NO.9,Sep 1999:3623~3629)]中记载了利用溅射法制备出2μm左右厚的Cr2O3薄膜,其硬度值最高达到32GPa。
目前,Cr2O3薄膜制备方法主要是溅射法和化学气相沉积法(CVD)。虽然这两种方法均可制备出Cr2O3薄膜,但每种方法都有其不足之处。溅射法多用靶材Cr2O3,成本高,并且所得多为非晶缺氧薄膜,热处理后,部分Cr2O3膜晶化,影响薄膜的性能,溅射法本身也有其不足之处:(1)在靶表面发生凹状侵蚀环,使整个靶的利用量仅达50%;(2)靶表面易变形开裂,因此,运行功率不能太高,使溅射速率受到限制。CVD是利用气相物质的热分解、热合成或化学传输等过程,在固体表面上生成固态沉积层的过程,利用CVD法,可通过分解Cr(C5H7O2)3和Cr(CO)6,获得了光滑平整的Cr2O3薄膜,但其也有不足之处:需要在高温下反应,因而对于可用来镀膜的基体材料种类加以限制,基体难于进行局部沉积,以及参加反应的源和反应后的余气都有一定毒性等,必须小心防护和操作。目前,未见采用电弧离子镀法制备氧化铬涂层的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济、无公害、沉积速度快,可在低温下沉积且致密度高的氧化铬制备工艺。
为了实现上述目的,本发明技术方案是采用电弧离子镀法,以纯铬作为阴极靶,阳极和真空室相连,阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极,所述直流电源的电流为10~100A,工作电压为15~40V,用氧气作反应气体,用Ar气作保护气体,具体步骤如下:
1)抛光、清洗,基体经金相砂纸研磨抛光,在丙酮或酒精中用超声清洗预处理;
2)装炉后将真空室抽至真空度为2.0×10-2~6.0×10-3Pa,通入Ar气,压力为5×10-2~8×10-2Pa,镀膜前加-700V~-1000V的高偏压;
3)利用辉光放电轰击基体表面2~5min,弧电流Ia:30~60A,弧电压:15~40V;
4)对基体轰击完后,通入氧气,氧流量:60~270sccm,工作压强:4.0×10-1~8.0×10-1Pa,脉冲偏压Vp:0~-500V,占空比为0~40%。
所述真空室抽真空后,将基体加热至100~200℃后,再通入Ar气;所述高偏压为直流偏压或脉冲偏压;所述基体与靶材间距为:150~300mm;所述基体为铁基、镍基合金、硬质合金或陶瓷;所述涂层厚度可视应用要求而通过控制生长时间来实现。
本发明具有如下优点:
1.一弧多用。本发明所述阴极电弧源既可作为蒸发源和离化源,又可作为加热源和轰击源,实现一弧多用。
2.本发明能实现低温沉积,室温下既可沉积致密均匀薄膜。
3.本发明入射粒子能量高,膜层致密度高、强度和耐久性好。
4.本发明沉积速度快,成膜速度快,可镀厚膜。
5.本发明绕镀性好。从铬靶阴极直接产生等离子体,不用熔池,镀膜过程中靶材保持固体状态,因而方位任意,可实现多源联合镀覆,转动基板机构简单,并可实现公转或自转,所以可镀覆任何形状的基体,绕镀性好。
6.本发明所用设备简单,采用低电压电源工作,使用安全,反应镀膜时,气氛的控制也是简单的全压力控制。
7.本发明成本低。采用纯铬靶,Ar气作保护原料,O2作反应原料,其原料易得,且成本低。
8.本发明无污染。由于不采用毒性、腐蚀性和危险性的气体,所以不存在环境污染。
9.本发明应用范围广。氧化铬涂层可作为微电子器件的阻挡层和磨损器件的保护层。另外,Cr2O3薄膜太阳能吸收性能高和热发散性差,作为太阳能吸收器的选择吸收层。
附图说明
图1为本发明实施例1中不同氧流量下沉积的Cr2O3薄膜的X射线衍射谱。
图2为本发明实施例2中不同脉冲偏压下沉积的Cr2O3薄膜的X射线衍射谱。
图3为本发明实施例3中不同弧电流下沉积的Cr2O3薄膜的X射线衍射谱。
具体实施方式
本发明采用电弧离子镀法,制备了氧化铬涂层。该技术原理主要基于冷阴极真空放电理论,引弧电极在与阴极表面接触与离开的瞬间引燃电弧,一旦电弧被引燃,低压大电流电源将维持阴极和阳极之间弧光放电过程的进行,其电流一般为10~100安,工作电压为15-40V。这些辉点犹如很小的发射点,每个点的延续时间很短,约为几至几千微秒,在此时间结束后,电流就分布到阴极表面的其它点上建立起足够的发射条件,致使辉点附近的阴极材料大量地蒸发。
实施例1
所用设备为MIP-8-800型离子镀膜机,用纯铬作为阴极靶,阳极和真空室相连,阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极,其电流为50A,电压为20V;基体尺寸为:15mm×10mm×2mm,材质为18-8不锈钢,基体经金相砂纸研磨抛光,在丙酮中用超声波清洗15min,吹干后,放置于真空沉积室中的样品台上,基体与靶材的间距约为240mm,真空度达到8×10-3Pa时,先通入Ar气,压力为7×10-2Pa,镀膜前加-1000V的高偏压,所述高偏压为直流偏压,利用辉光放电轰击基体表面2min,弧电流Ia:50A,弧电压:20V,对基体轰击完后,通入氧气,只改变氧流量:60~190sccm,工作压强:6.0×10-1Pa,脉冲偏压为-300V,占空比为20%,沉积时间为30min,整个过程中均通入Ar气。
如图1所示,S代表基体,结果表明:利用电弧离子镀法可成功制备出Cr2O3薄膜。低氧流量时,在Cr2O3薄膜中发现存在未完全反应的Cr,其含量随氧流量的增加而减小,氧流量对Cr2O3薄膜的择优取向有较大影响,沉积速率随氧流量的增加而缓慢减小,在FO2=130sccm时,存在一明显转折点,超过130sccm后,沉积速率下降非常缓慢。
氧流量对薄膜的表面形貌有较大影响。低氧流量时,表面熔滴大且尺寸不均匀,数量多;氧流量较高时,表面熔滴小且均匀,数量少。
实施例2
与实施例1不同之处是:
直流电源的电流为100A,电压为40V;基体尺寸为:15mm×10mm×2mm,材质为18-8不锈钢,基体经金相砂纸研磨抛光,在酒精中用超声波清洗15min,吹干后,放置于真空沉积室中的样品台上,基体与靶材的间距约为150mm,装炉后将真空室抽至真空度为6.0×10-3Pa,通入Ar气,压力为5×10-2Pa,镀膜前加-700V的高偏压,所述高偏压为脉冲偏压;利用辉光放电轰击基体表面5min,弧电流Ia:50A,弧电压:20V;对基体轰击完后,通入氧气,氧流量:130sccm,工作压强:4.0×10-1Pa,只改变脉冲偏压:0~-400V,占空比为20%,沉积时间为30min。
如图2所示,S代表基体,结果表明:偏压对薄膜的择优取向有较大的影响。在偏压为-100V时,Cr2O3呈现出(006)晶面择优取向;随着偏压的增加,(006)晶面X射线衍射峰消失,(300)晶面X射线衍射峰强度增加且为主要择优取向。Cr2O3薄膜的沉积速率随偏压增加而增大,但当偏压超过-200V时,沉积速率反而下降。这是由于较高偏压下,离子轰击作用增强,溅射过程明显所致。无偏压时,薄膜表面大熔滴多而尺寸不均匀;加偏压后,熔滴明显减少;随着偏压的增大,轰击作用增强,薄膜的表面质量得到改善。偏压对Cr2O3薄膜的硬度影响明显随着偏压的增大,硬度值增加,在Vp=-200V硬度值达到最大为36GPa。
实施例3
与实施例1不同之处是:
直流电源的电流为75A,电压为30V;基体尺寸为:15mm×10mm×2mm,材质为18-8不锈钢,基体经金相砂纸研磨抛光,在丙酮中用超声波清洗15min,吹干后,放置于真空沉积室中的样品台上,基体与靶材的间距约为280mm,装炉后将真空室抽至真空度为6.0×10-3Pa,将基体加热至150℃后通入Ar气,压力为6×10-2Pa,镀膜前加-800V的高偏压,所述高偏压为脉冲偏压;利用辉光放电轰击基体表面3min,只改变弧电流Ia:30~60A,弧电压:20~40V;对基体轰击完后,通入氧气,氧流量:130sccm,工作压强:8.0×10-1Pa,脉冲偏压为-300V,占空比为20%,沉积时间为30min。
如图3所示,S代表基体,结果表明:弧电流对氧化铬涂层的组织结构和表面形貌有较大影响。在Ia=30A时,出现了Cr2O3薄膜的(300)晶面X射线衍射峰的择优取向。随着弧电流的增大,(300)晶面X射线衍射峰的强度逐渐减小,而(104)、(110)晶面X射线衍射峰逐渐增强。随着电流的减小,膜层表面的熔滴明显减少,尺寸均匀,基本上无大颗粒,膜层致密且无孔洞。
Claims (5)
1.一种氧化铬涂层制备工艺,其特征在于采用电弧离子镀法,以纯铬作为阴极靶,阳极和真空室相连,阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极,所述直流电源的电流为10~100A,工作电压为15~40V,具体步骤如下:
1)抛光、清洗,基体经金相砂纸研磨抛光,在丙酮或酒精中用超声清洗预处理;
2)装炉后将真空室抽至真空度为2.0×10-2~6.0×10-3Pa,通入Ar气,压力为5×10-2~8×10-2Pa,镀膜前加-700V~-1000V的高偏压;
3)利用辉光放电轰击基体表面2~5min,弧电流Ia:30~60A,弧电压:15~40V;
4)对基体轰击完后,通入氧气,氧流量:60~270sccm,工作压强:4.0×10-1~8.0×10-1Pa,脉冲偏压Vp:0~-500V,占空比为0~40%。
2.按照权利要求1所述氧化铬涂层制备工艺,其特征在于真空室抽真空后,将基体加热至100~200℃后,再通入Ar气。
3.按照权利要求1或2所述氧化铬涂层制备工艺,其特征在于高偏压为直流偏压或脉冲偏压。
4.按照权利要求1或2所述氧化铬涂层制备工艺,其特征在于基体与靶材间距为:150~300mm。
5.按照权利要求1或2所述氧化铬涂层制备工艺,其特征在于基体为铁基、镍基合金、硬质合金或陶瓷。
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