中频磁控和非平衡磁控放电特性及Cr-DLC膜层制备研究

摘要

金属掺杂类金刚石薄膜具有高硬度、低摩擦系数、低磨损率等优点被广泛应用于抗摩擦领域中。传统磁控溅射存在靶材原子离化率低，反应磁控溅射中容易毒化，工作不稳定等问题。非平衡直流磁控溅射及中频脉冲磁控溅射由于可以解决传统磁控溅射中存在的问题成为制备Cr-DLC的有效方法。
　　本文采用非平衡直流磁控溅射及中频脉冲磁控溅射两种磁控溅射技术，分别研究了两种技术在Cr靶条件下的放电特性，并对两种溅射技术下的放电特性进行对比。分别使用两种技术在相同的靶电流条件下制备 Cr-DLC薄膜。研究了不同靶基距对 Cr-DLC薄膜膜层形貌、相结构、摩擦磨损性能、膜基结合力及电化学腐蚀特性等的影响，并对比两种溅射技术制备的Cr-DLC薄膜的差别。
　　中频脉冲磁控溅射技术放电特性结果表明，靶电压及基体电流随着气压的增加而降低；随着N2比例的增加，靶电压先降低后升高，基体电流值一直降低；随着C2H2比例的增加，靶电压先降低后升高，基体电流基本保持不变。
　　非平衡直流磁控溅射技术放电特性结果表明，闭合场磁场位型较镜像场及非平衡场磁场位型更容易获得较高的基体电流值；在闭合场位型条件下，随着N2比例的增加，靶电压先降低后升高，基体电流值降低；随着 C2H2比例的增加，靶电压升高，基体电流下降。
　　两种磁控溅射技术放电特性对比表明，在相同的靶电流条件下，中频脉冲磁控溅射靶电压更高、靶功率更大。在Ar:C2H2比例相同的条件下，中频脉冲磁控溅射可以获得更高的基体电流值。
　　Cr-DLC薄膜组织结构表明，在非平衡直流磁控溅射条件下，Cr-DLC薄膜为柱状晶组织结构；随着靶基距的增加，薄膜厚度基本保持不变；薄膜中主要以非晶的漫散射峰及Cr2C的衍射峰位主，同时还发现了Cr的（110）峰。在中频脉冲磁控溅射条件下，Cr-DLC薄膜为致密的柱状晶组织结构；随着靶基距的增加，薄膜厚度减小；薄膜主要以漫散射峰为主，呈现碳纳米晶结构。Raman光谱表明两种磁控溅射技术制备的薄膜均为DLC薄膜。
　　Cr-DLC薄膜性能测试表明，在非平衡直流磁控溅射条件下，Cr-DLC薄膜具有较好的结合力，在靶基距为80mm时，结合力等级为HF1；薄膜的摩擦系数随着靶基距的增加而增加；抗电化学腐蚀能力随着靶基距的增加而增加；在中频脉冲磁控溅射条件下，Cr-DLC薄膜结合力等级为 HF4，但其摩擦系数及抗电化学腐蚀能力均优于在非平衡直流磁控溅射条件下制备的Cr-DLC薄膜。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及目的

1.2 磁控溅射技术

1.3 类金刚石薄膜简介及制备技术

1.4 本文主要研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材制备及试验设备

2.2 试验方法

2.3 分析测试方法

第3章 Cr靶中频脉冲磁控溅射等放电特性研究

3.1 电源参数对放电特性的影响

3.2 气压对放电特性的影响

3.3 靶电流对基体电流的影响

3.4 反应气体对放电特性的影响

3.5 基体位置对放电特性的影响

3.6 本章小结

第4章 Cr靶非平衡直流磁控溅射放电特性测试

4.1 磁场位型对放电特性的影响

4.2 工艺参数对放电特性的影响

4.3 中频脉冲磁控溅射与非平衡直流磁控溅射对比分析

4.4 本章小结

第5章 Cr-DLC薄膜制备及组织性能研究

5.1 Cr-DLC薄膜沉积工艺探索

5.2 Cr-DLC薄膜组织结构分析

5.3 Cr-DLC薄膜性能测试及分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢