專(zhuān)利名稱(chēng)：一種納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜制備方法，屬于硬質(zhì)薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前氮化物硬質(zhì)薄膜作為刀具、刃具和模具的表面保護(hù)材料，已經(jīng)在合成方法和制 備技術(shù)方面得到了多種具體成分和結(jié)構(gòu)可調(diào)制的薄膜。從材料的設(shè)計(jì)而言，人們總是傾 向于成本更低、可工業(yè)化薄膜的開(kāi)發(fā)，并在這一領(lǐng)域探索頗多。
氮化物在可人工設(shè)計(jì)的材料中所具有的優(yōu)點(diǎn)是很多的。首先是因?yàn)榈镄纬傻幕?學(xué)共價(jià)鍵導(dǎo)致其化學(xué)穩(wěn)定性很高，因而其有很好的力學(xué)強(qiáng)度和超硬度。其次氮化物和一 般襯底材料之間的結(jié)合力很強(qiáng)，形成的薄膜不易脫落，工具使用壽命長(zhǎng)。還有在實(shí)驗(yàn)中 人們發(fā)現(xiàn)氮化物涂層的摩擦系數(shù)比較低，這使材料具有了耐磨損實(shí)用化方面的潛在應(yīng)用 價(jià)值。
氮化物的當(dāng)前制備方法主要有化學(xué)氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD)?；?學(xué)氣相沉積法有等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)，根據(jù)電源的不同又分為射頻 (R.F)和直流(D.C)兩種。物理氣相沉積法主要包括反應(yīng)磁控濺射(RMS)和真空蒸鍍(VEP) 等。其中物理氣相沉積鍍膜過(guò)程因?yàn)樾纬闪宋锢硇愿街∧づc基底的結(jié)合較為牢固從 而比化學(xué)性附著采用的化學(xué)氣相沉積法更為優(yōu)越。
在物理氣相沉積使用的以反應(yīng)磁控濺射為主的氮化物薄膜制備方面，目前主要有納 米復(fù)合硬質(zhì)薄膜和納米復(fù)合多層薄膜兩大研發(fā)方向。其中，納米多層薄膜因?yàn)楸旧砭哂?良好的韌性，尤其是金屬/氮化物與碳化物/氮碳化物的多層復(fù)薄膜的設(shè)計(jì)性質(zhì)較為優(yōu)良， 因而更具有產(chǎn)業(yè)化前景。但比起單一層的納米復(fù)合薄膜來(lái)，因?yàn)閷?duì)設(shè)備的要求和過(guò)程控
制更高一些，因而其制備要相應(yīng)困難和復(fù)雜一些。
在設(shè)計(jì)和合成納米多層氮化物硬質(zhì)薄膜方面， 一般至少需要兩個(gè)以上靶的磁控濺射 設(shè)備。在濺射過(guò)程中人們通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)和濺射靶相對(duì)的樣品臺(tái)，就可以實(shí)現(xiàn)兩種材料的交替 濺射沉積。這樣，兩種不同成分的材料交替疊加，協(xié)同抵抗外力，形成調(diào)制周期不同的 多層硬質(zhì)薄膜來(lái)。利用雙靶或多靶反應(yīng)磁控濺射儀制備多層

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種基于單耙磁控濺射儀的 納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜的制備方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜的制備方 法，包括襯底基片、靶材和單靶磁控濺射儀，該單靶磁控濺射儀包括有真空室和參數(shù)調(diào) 節(jié)裝置，其特征在于所述多層硬質(zhì)薄膜的制備方法包括以下步驟
(1) 、將襯底基片的表面進(jìn)行打磨、清洗、烘干；
(2) 、將清洗好的襯底基片置于單靶磁控濺射儀的真空室里，將襯底基片與磁控濺
射靶之間的距離保持在40 80mm，將單靶磁控濺射儀的真空室抽真空到低于8xlO—4Pa;
(3) 、打開(kāi)加熱電源，向真空室內(nèi)通入濺射氣體，調(diào)整鍍膜功率，范圍為50 250W;
(4) 、對(duì)襯底基片進(jìn)行濺射沉積，濺射沉積條件為下列方式中的一種-
(41) 、首先對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置設(shè)置第一層濺射沉 積的條件為將襯底基片加熱，溫度范圍為200 80(TC，設(shè)置濺射室內(nèi)的氣體總壓力， 范圍為0.5Pa 2Pa，濺射沉積的時(shí)間為第一設(shè)定時(shí)間；然后對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射 沉積，第二層濺射沉積的條件為往真空室內(nèi)注入反應(yīng)氣體，襯底溫度和濺射室內(nèi)的氣 體總壓力保持不變，濺射沉積的時(shí)間為第二設(shè)定時(shí)間；
(42) 、首先對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置設(shè)置第一層濺射沉
積的條件為同時(shí)向真空室內(nèi)注入反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體與濺射氣體的比率為1: 1，將襯
底基片加熱到第一溫度，第一溫度范圍為200 80(TC，設(shè)置濺射室內(nèi)的氣體總壓力，范 圍為0.5Pa 2Pa;然后對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射沉積，第二層濺射沉積的條件為將 襯底基片改變到不同于第一溫度的第二溫度，其范圍也為200 80(TC，濺射室內(nèi)的氣體 總壓力和反應(yīng)氣體與濺射氣體的比率保持不變，濺射沉積的時(shí)間為第二設(shè)定時(shí)間；
(43) 、首先對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置設(shè)置第一層濺射沉 積的條件為同時(shí)向真空室內(nèi)注入反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體與濺射氣體比率為1: 1，將襯底 基片加熱，溫度的范圍為200 80(TC，設(shè)置濺射室內(nèi)的氣體總壓力為第一壓力值，該第 一壓力的范圍為0.5Pa 2Pa;然后對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射沉積，第二層濺射沉積的
條件為將濺射室內(nèi)的氣體總壓力設(shè)置為不同于第一壓力的第二壓力，該第二壓力的范
圍也為0.5Pa 2Pa，襯底溫度和反應(yīng)氣體與濺射氣體比率保持不變，濺射沉積的時(shí)間為 第二設(shè)定時(shí)間；
(44) 、首先對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置設(shè)置第一層濺射沉 積的條件為同時(shí)向真空室內(nèi)注入反應(yīng)氣體，將襯底基片加熱，溫度范圍為200 800 °C，設(shè)置濺射室內(nèi)的氣體總壓力，范圍為0.5Pa 2Pa，設(shè)置反應(yīng)氣體與濺射氣體比率為
第一比率，其范圍為0: 1 1: 0;然后對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射沉積，第二層濺射沉積的條件為改變反應(yīng)氣體與濺射氣體比率為不同于第一比率的第二比率，其范圍也為 0: 1 1: 0，襯底溫度和濺射室內(nèi)的氣體總壓力保持不變，濺射沉積的時(shí)間為第二設(shè)定 時(shí)間；
(5)、進(jìn)行程序降溫，釋放沉積過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，直到溫度按設(shè)定的降溫速率降 到IO(TC后關(guān)閉濺射電流，斷開(kāi)加熱電源，待自然真空狀態(tài)下溫度降到室溫時(shí)，在真空 室內(nèi)放入空氣，取出已經(jīng)沉積有多層硬質(zhì)薄膜的襯底基片。
作為改進(jìn)，在執(zhí)行所述步驟(5)之前，重復(fù)執(zhí)行步驟(3)、 (4)至少一次。這樣，制作 的超硬薄膜根據(jù)實(shí)際需要就有任意多層。
所述襯底基片可以為金屬片，如Fe、 Mo等，也可以為陶瓷片，如MgO， Al2Cb等， 還可以為半導(dǎo)體片，如Si等，以及工業(yè)使用的其他特殊形狀的材料；
所述濺射氣體為Ar、 He或N2中的一種，所述反應(yīng)氣體為N2、 02、 C2H2、 CH4、 SiH4中的一種或它們的混和。
所述靶材為過(guò)渡族金屬靶材或者其他金屬靶材或者氮化物陶瓷基復(fù)合耙材或者碳 化物陶瓷基復(fù)合靶材或者氧化物陶瓷基復(fù)合耙材；
所述步驟(5)中程序降溫速率在0.5 5tVmin之間，以便充分的退火來(lái)解除薄膜熱應(yīng) 力，提高材料硬度。
上述步驟(4)中反應(yīng)氣體的關(guān)閉，襯底基片溫度的調(diào)節(jié)、反應(yīng)室內(nèi)的氣體總壓力的調(diào) 節(jié)，可以使用程序控制的或者非計(jì)算機(jī)控制的手段實(shí)現(xiàn)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用單靶磁控濺射儀制備多層復(fù)合硬質(zhì)薄膜， 區(qū)別于常規(guī)的多層硬質(zhì)薄膜制備使用的雙靶或多靶反應(yīng)磁控濺射法，降低了對(duì)合成設(shè)備 的要求，在只具有一個(gè)濺射靶的條件下制備出多層膜，同時(shí)不需要使樣品臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械 設(shè)備，減少了噪音；免去了工件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)置空的時(shí)間，提高了實(shí)際濺射效率，在工業(yè)生產(chǎn) 中成本較低。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例一中制備Mo/MoNx納米復(fù)合多層超硬薄膜的制備方法流程圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例二中制備MoCx/MoCN納米多層超硬薄膜的制備方法流程圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例三中制備的MoCNx納米多層同質(zhì)異構(gòu)薄膜的制備方法流程圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例四中制備的MoCNx納米多層同質(zhì)異構(gòu)薄膜的制備方法流程圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例一中用納米壓痕儀測(cè)量到的MoNx/Mo薄膜的加載-卸載曲線(xiàn)； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例三中用X-射線(xiàn)衍射儀測(cè)量的不同溫度下MoCNx不同結(jié)構(gòu)圖； 圖7為本發(fā)明實(shí)施例二中用納米壓痕儀測(cè)量的不同結(jié)構(gòu)MoCNx膜加載-卸載曲線(xiàn)。 圖8為本發(fā)明實(shí)施例四中用X-射線(xiàn)衍射儀得到的不同壓力下MoCNx不同結(jié)構(gòu)具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 實(shí)施例一制備MoNx/Mo復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜，參見(jiàn)圖l所示 (1)、將襯底基片的表面進(jìn)行打磨、清洗、烘干；
襯底基片可以選擇切割工業(yè)中使用的鋼片，即將線(xiàn)切割或激光切割好的高速鋼/不
銹鋼片(直徑為10mm，厚度3mm)用由粗到細(xì)的金相砂紙，從300目到3000目依次打 磨，并在拋光機(jī)上附以金剛石膏拋光直到表面光滑無(wú)劃痕，再用丙酮或乙醇溶液除油， 溶去基底表面附著的雜質(zhì)，其后在鹽酸、雙氧水和去離子水組成的混合液(體積比1: 2: 5)中浸泡6h后取出，用去離子水清洗，再用超聲清洗后，在臺(tái)式勻膠機(jī)上甩干待用。 襯底基片也可以采用純度為99.99%的硅片或者其他陶瓷如MgO基片，用玻璃刀裁
切成5x5mn^大小即可，同樣經(jīng)過(guò)打磨、清洗、烘干待用。
本實(shí)施例中，選擇一片不銹鋼、 一片高速鋼和兩片純度為99.99%的硅片進(jìn)行沉積， 以分別測(cè)試其不同方面的物性。.
(2) 、將金屬M(fèi)o (99.99%)靶安裝在靶臺(tái)上，將清洗好的襯底基片硅片和不銹鋼與 高速鋼放在真空室內(nèi)的樣品臺(tái)上，將襯底基片與磁控濺射靶之間的距離保持在60mm，
將單靶磁控濺射儀的真空室用復(fù)合真空泵抽真空到8xl(r4Pa;
(3) 、打開(kāi)加熱電源，對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，第一層濺射沉積的條件為 將襯底基片加熱到40(TC，；向真空室內(nèi)通入濺射氣體氬氣Ar (99.99%)，調(diào)整鍍膜功 率為100W，濺射室內(nèi)總氣壓保持在lPa，對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層金屬M(fèi)o層的濺射沉 積，濺射沉積的時(shí)間為15min;
(4) 、對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射沉積，第二層濺射沉積的條件為-向真空室內(nèi)注入反應(yīng)氣體氮?dú)釴2，其他參數(shù)不變，此時(shí)爐內(nèi)火焰顏色由赤白色光
迅速變?yōu)殚偌t色，說(shuō)明鍍層轉(zhuǎn)換很好，濺射沉積的時(shí)間為15min，其后關(guān)閉反應(yīng)氣體N2;
(5) 、重復(fù)步驟(3)、 (4)兩次；
(6) 、卯min后，關(guān)閉濺射電流，以3'C/rain的速率程序降溫，直到溫度降到100°C 以下，斷開(kāi)加熱電源，待自然真空狀態(tài)下溫度降到室溫時(shí)，往真空室內(nèi)放入空氣，取出 已經(jīng)沉積有多層硬質(zhì)薄膜的襯底基片。
經(jīng)納米壓痕儀測(cè)得的薄膜硬度為28.3GPa，楊氏模量為355.7GPa，曲線(xiàn)圖見(jiàn)附圖5。
實(shí)施例二制備MoCx/MoCNx納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜，參見(jiàn)附圖2所示； (1)、襯底基片使用鋼片即線(xiàn)切割或激光切割好的高速鋼片(長(zhǎng)為10mm，寬為2mm)， 用由粗到細(xì)的金相砂紙，從300目到3000目依次打磨，在拋光機(jī)上用金剛石磨膏拋光 直到表面光滑無(wú)劃痕，再用丙酮或乙醇溶液除油，溶去基底表面附著的雜質(zhì)，其后在鹽酸、雙氧水和去離子水組成的混合液(體積比1: 2: 5)中浸泡6h以上，以去離子水清洗
掉殘液后再用超聲清洗，在臺(tái)式勻膠機(jī)上甩干后待用。襯底基片也使用純度為99.99% 的硅片，用玻璃刀裁切成8x8rm^大小，清洗、烘干待用。
本實(shí)施例中，選擇兩片高速鋼和兩片純度為99.99%的硅片進(jìn)行沉積。
(2) 、將Mo (99.99%)和石墨(99.98%)的復(fù)合靶安裝在靶臺(tái)上，將清洗好的襯 底基片硅片和高速鋼片各兩片放在真空室內(nèi)的樣品臺(tái)上，將襯底基片與磁控濺射靶之間
的距離保持在60mm，將單靶磁控濺射儀的真空室抽真空到8xl04Pa;
(3) 、打開(kāi)加熱電源，對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，第一層濺射沉積的條件為-將襯底基片加熱到45(TC，向真空室內(nèi)通入濺射氣體氬氣Ar，調(diào)整鍍膜功率為120W， 濺射室內(nèi)總氣壓保持在1.8Pa，對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層復(fù)合MoCx薄膜的濺射沉積，濺 射沉積的時(shí)間為15min;
(4) 、對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射沉積，第二層濺射沉積的條件為向真空室內(nèi)注 入反應(yīng)氣體N2，其他參數(shù)不變，此時(shí)爐內(nèi)火焰顏色由赤白色光迅速變?yōu)殚偌t色，說(shuō)明 層間過(guò)渡的很好，濺射沉積的時(shí)間為15min，其后關(guān)閉反應(yīng)氣體N2;
(5) 、重復(fù)步驟(3)、 (4)兩次；
(6) 、 90min后，關(guān)閉濺射電流，以3°C/min的速率程序降溫，直到溫度降到90°C 以下，斷開(kāi)加熱電源，待自然真空狀態(tài)下溫度降到室溫時(shí)，在真空室內(nèi)放入空氣，取出 己經(jīng)沉積有多層硬質(zhì)薄膜的襯底基片。
經(jīng)納米壓痕儀測(cè)量得的薄膜硬度為37.8GPa，彈性模量為427.3GPa，曲線(xiàn)見(jiàn)附圖7。
實(shí)施例三制備MoCNx納米復(fù)合同質(zhì)異構(gòu)多層薄膜，參見(jiàn)附圖3所示
(1) 、將襯底基片的表面進(jìn)行打磨、清洗、烘干；
襯底基片選擇了切割刀、刃具工業(yè)中使用的鋼片，即將線(xiàn)切割或激光切割好的高速 鋼/不銹鋼片(直徑為10mm，厚度3mm)用由粗到細(xì)的金相砂紙，從300目到3000目依 次打磨，并在拋光機(jī)上附以金剛石納米級(jí)磨膏拋光直到表面光滑無(wú)劃痕，再用丙酮或乙 醇溶液除油，溶去基底表面附著的雜質(zhì)，其后在鹽酸、雙氧水和去離子水組成的混合液 (體積比l: 2: 5)中浸泡6h以上，用去離子水清洗，再用超聲清洗15min之后，在臺(tái)式 勻膠機(jī)上甩干待用。
襯底基片也可以采用純度為99.99%的硅片或者其他陶瓷如MgO片，用玻璃刀裁切 成8x8mn^大小，并清洗、烘干待用。
本實(shí)施例中，選擇一片不銹鋼、 一片高速鋼和兩片純度為99.99%的硅片進(jìn)行沉積。
(2) 、將金屬M(fèi)o (99.99%)靶和石墨(99.98%)的復(fù)合靶安裝在靶臺(tái)上，將清洗 好的襯底基片硅片、不銹鋼與高速鋼放在真空室內(nèi)的樣品臺(tái)上，將襯底基片與磁控濺射(3) 、打開(kāi)加熱電源，對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，第一層濺射沉積的條件為 將襯底基片加熱到第一溫度30(TC，向真空室內(nèi)通入濺射氣體氬氣和反應(yīng)氣體氮?dú)?，調(diào) 整鍍膜功率為IOOW，濺射室內(nèi)總氣壓保持在2Pa，對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層MoCNx的濺 射沉積，濺射沉積的時(shí)間為10min;
(4) 、對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射沉積，第二層濺射沉積的條件為-將襯底基片加熱到第二溫度值45(TC，其他參數(shù)不變，進(jìn)行第二層MoCNx的沉積，
這時(shí)沉積的薄膜與第一層的結(jié)構(gòu)有所不同，濺射沉積的時(shí)間為第二設(shè)定時(shí)間為10min;
(5) 、重復(fù)步驟(3)、 (4)四次；
(6) 、 80min后，關(guān)閉濺射電流，進(jìn)行程序降溫退火，待溫度降到9(TC以下時(shí)，斷 開(kāi)加熱電源，待自然真空狀態(tài)下溫度降到室溫時(shí)，往真空室內(nèi)放入空氣，取出已經(jīng)沉積 有多層硬質(zhì)薄膜的襯底基片。
這時(shí)，納米壓痕儀測(cè)得的薄膜的硬度結(jié)果為34.6GPa，楊氏模量為371.9GPa，通過(guò) XRD的測(cè)試，表明兩種溫度沉積的薄膜成分是不相同的，見(jiàn)圖6。
實(shí)施例四制備MoCNx納米復(fù)合同質(zhì)異構(gòu)多層薄膜，參見(jiàn)附圖4所示
(1) 、將襯底基片的表面進(jìn)行打磨、清洗、烘干；
襯底基片選擇用線(xiàn)切割或激光切割好的高速鋼/不銹鋼片(直徑為10mm，厚度 3mm)，用由粗到細(xì)的金相砂紙，從300目到3000目依次打磨，并在拋光機(jī)上以金剛石 納米級(jí)磨膏拋光直到表面光滑無(wú)劃痕，再用丙酮或乙醇溶液除油，溶去基底表面附著的 雜質(zhì)，其后在鹽酸、雙氧水和去離子水組成的混合液(體積比1: 2: 5)中浸泡6h以上， 用去離子水清洗，再用超聲清洗15min后，在臺(tái)式勻膠機(jī)上甩干待用。
襯底基片也釆用純度為99.99%的硅片，用玻璃刀裁切成8x8mi^大小，并清洗、
甩干待用。
本實(shí)施例中，選擇一片不銹鋼、 一片高速鋼和兩片純度為99.99%的硅片進(jìn)行沉積。
(2) 、將金屬M(fèi)o (99.99%)和石墨(99.98%)的復(fù)合靶安裝在靶臺(tái)上，將清洗好 的襯底基片硅片、不銹鋼與高速鋼片放在真空室內(nèi)的樣品臺(tái)上，將襯底基片與磁控濺射
靶之間距離固定在60mm，將單靶磁控濺射儀的真空室用復(fù)合真空泵抽真空到8xlO—4Pa;
(3) 、打開(kāi)加熱電源，對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，第一層濺射沉積的條件為 將襯底基片加熱到40(TC，向真空室內(nèi)通入濺射氣體氬氣和反應(yīng)氣體氮?dú)?，調(diào)整鍍膜功 率為IOOW，濺射室內(nèi)總氣壓保持在第一壓力值lPa，對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層MoCNx 的濺射沉積，濺射沉積的時(shí)間為10min;
(4) 、對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射沉積，第二層濺射沉積的條件為
9將濺射室內(nèi)總氣壓保持在第二壓力值2Pa，其他參數(shù)不變，進(jìn)行第二層MoCNx的 沉積，這時(shí)沉積的薄膜與第一層的結(jié)構(gòu)有所不同，濺射沉積的第二設(shè)定時(shí)間也為10min;
(5) 、重復(fù)步驟(3)、 (4)四次；
(6) 、 80min后，關(guān)閉濺射電流，進(jìn)行程序降溫退火，待溫度降到90°C以下時(shí)，斷 開(kāi)加熱電源，待自然真空狀態(tài)下溫度降到室溫時(shí)，往真空室內(nèi)放入空氣，取出已經(jīng)沉積 有多層硬質(zhì)薄膜的襯底基片。
這時(shí)，經(jīng)納米壓痕儀測(cè)得的薄膜的硬度結(jié)果為35.6GPa，楊氏模量為393.9GPa，通 過(guò)XRD的測(cè)試，表明兩種壓力下沉積的薄膜成分是不相同的，見(jiàn)圖8。
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權(quán)利要求
1、一種納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜的制備方法，包括襯底基片、靶材和單靶磁控濺射儀，該單靶磁控濺射儀包括有真空室和參數(shù)調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述多層硬質(zhì)薄膜的制備方法包括以下步驟(1)、將襯底基片的表面進(jìn)行打磨、清洗、烘干；(2)、將清洗好的襯底基片置于單靶磁控濺射儀的真空室里，將襯底基片與磁控濺射靶之間的距離保持在40～80mm之間，將單靶磁控濺射儀的真空室抽真空到8×10-4Pa或其以下；(3)、打開(kāi)加熱電源，向真空室內(nèi)通入濺射氣體，調(diào)整鍍膜功率，范圍為50～250W；(4)、對(duì)襯底基片進(jìn)行濺射沉積，濺射沉積條件為以下方式中的一種(41)、首先對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置設(shè)置第一層濺射沉積的條件為將襯底基片加熱，溫度范圍為200～800℃，設(shè)置濺射室內(nèi)的氣體總壓力，范圍為0.5Pa～2Pa，濺射沉積的時(shí)間為第一設(shè)定時(shí)間；然后對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射沉積，第二層濺射沉積的條件為往真空室內(nèi)注入反應(yīng)氣體，襯底溫度和濺射室內(nèi)的氣體總壓力保持不變，濺射沉積的時(shí)間為第二設(shè)定時(shí)間；(42)、首先對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置設(shè)置第一層濺射沉積的條件為同時(shí)向真空室內(nèi)注入反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體與濺射氣體的比率為11，將襯底基片加熱到第一溫度，第一溫度范圍為200～800℃，設(shè)置濺射室內(nèi)的氣體總壓力，范圍為0.5Pa～2Pa；然后對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射沉積，第二層濺射沉積的條件為將襯底基片改變到不同于第一溫度的第二溫度，其范圍也為200～800℃，濺射室內(nèi)的氣體總壓力和反應(yīng)氣體與濺射氣體的比率保持不變，濺射沉積的時(shí)間為第二設(shè)定時(shí)間；(43)、首先對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置設(shè)置第一層濺射沉積的條件為同時(shí)向真空室內(nèi)注入反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體與濺射氣體比率為11，將襯底基片加熱，溫度的范圍為200～800℃，設(shè)置濺射室內(nèi)的氣體總壓力為第一壓力值，該第一壓力的范圍為0.5Pa～2Pa；然后對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射沉積，第二層濺射沉積的條件為將濺射室內(nèi)的氣體總壓力設(shè)置為不同于第一壓力的第二壓力，該第二壓力的范圍也為0.5Pa～2Pa，襯底溫度和反應(yīng)氣體與濺射氣體比率保持不變，濺射沉積的時(shí)間為第二設(shè)定時(shí)間；(44)、首先對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置設(shè)置第一層濺射沉積的條件為同時(shí)向真空室內(nèi)注入反應(yīng)氣體，將襯底基片加熱，溫度范圍為200～800℃，設(shè)置濺射室內(nèi)的氣體總壓力，范圍為0.5Pa～2Pa，設(shè)置反應(yīng)氣體與濺射氣體比率為第一比率，其范圍為01～10；然后對(duì)襯底基片進(jìn)行第二層濺射沉積，第二層濺射沉積的條件為改變反應(yīng)氣體與濺射氣體比率為不同于第一比率的第二比率，其范圍也為01～10，襯底溫度和濺射室內(nèi)的氣體總壓力保持不變，濺射沉積的時(shí)間為第二設(shè)定時(shí)間；(5)、進(jìn)行程序降溫，釋放沉積過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，直到溫度按設(shè)定的降溫速率降到100℃以下時(shí)關(guān)閉濺射電流，斷開(kāi)加熱電源，待自然真空狀態(tài)下溫度降到室溫時(shí)，向真空室內(nèi)放入空氣，取出已經(jīng)沉積有多層硬質(zhì)薄膜的襯底基片。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于在執(zhí) 行所述步驟(5)之前，重復(fù)執(zhí)行步驟(3)、 (4)至少一次。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于-所述襯底基片為金屬片或者陶瓷片或者半導(dǎo)體片。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于 所述濺射氣體為氬氣、氮?dú)饣蚝庵械囊环N，所述反應(yīng)氣體為氮?dú)狻⒀鯕?、乙炔、甲垸?硅烷中的 一種或它們的混和。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于所述耙材為過(guò)渡族金屬靶材或者其他金屬靶材或者氮化物陶瓷基復(fù)合靶材或者碳化物 陶瓷基復(fù)合耙材或者氧化物陶瓷基復(fù)合靶材。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于所述步驟(5)中程序降溫速率為0.5 5°C/mki之間。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于 所述步驟(4)中反應(yīng)氣體的關(guān)閉，襯底基片溫度的調(diào)節(jié)、反應(yīng)室內(nèi)的氣體總壓力的調(diào)節(jié)使 用程序控制或者非計(jì)算機(jī)控制的手段實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多層硬質(zhì)薄膜的制備方法，該法包括以下步驟(1)將襯底基片表面進(jìn)行打磨、清洗、烘干；(2)將清洗好的襯底基片置于真空室里，將真空室抽真空；(3)打開(kāi)加熱電源，將襯底基片加熱，往真空室內(nèi)通入濺射氣體氬氣，調(diào)整鍍膜功率，對(duì)襯底基片進(jìn)行第一層濺射沉積；(4)經(jīng)過(guò)第一設(shè)定時(shí)間沉積后，選擇第二時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)或者反應(yīng)參數(shù)設(shè)置，或打開(kāi)反應(yīng)氣體氮?dú)猓蛟谕ㄈ敕磻?yīng)氣體的情況下改變真空室內(nèi)總氣壓，或改變?cè)瓉?lái)襯底溫度，或改變反應(yīng)氣體與濺射氣體的比率；(5)程序降溫退火。本發(fā)明采用單靶磁控濺射儀制備納米復(fù)合多層硬質(zhì)薄膜，降低了對(duì)合成設(shè)備的要求，不需要使樣品臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，減少了對(duì)環(huán)境的噪音污染和生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)C23C14/35GK101451232SQ20081016231
公開(kāi)日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者倪浩明, 慶 劉, 呂鵬輝, 方前鋒, 汪愛(ài)英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所