[发明专利]一种非晶基B-C-Mg三元薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有高硬度、高韧性及低摩擦系数的非晶基B-C-Mg三元薄膜及其制备方法，该三元薄膜以B为主要成分，同时等比例添加适量合金化元素C、Mg。

背景技术

MEMS微机电系统中，LIGA（光刻、电铸和注塑）是制造高长宽比微器件的一项重要技术。LIGA技术生产过程中会面临高接触应力、高温、腐蚀等恶劣环境，大多数LIGA微型器件是通过Ni，Cu，Fe或者其他合金制造的，他们的性能在这些环境气氛中将会明显的降低，甚至完全失效。近来研究发现【T.M.Mayer,J.W.Elam,S.M.George,P.G.Kotula,and R.S.Goeke,Appl.Phys.Lett.82,（2003）2883】表面涂层处理技术被认为是一种缓和该严重问题进而延长LIGA微型器件使用寿命的有效方法。理想的LIGA微器件制造技术保护涂层需要具备高硬度、高韧性、低摩擦系数、化学惰性及高温稳定等性质。因此研制制备方法简单且具有良好综合性能的保护涂层成为一个亟待解决的科学问题。这样一种简单易制且性能优异的涂层不仅可用于微机电系统，也能够拓宽其运用到其他领域，如刀模具表面、工件表面的防护。

早在二十年前，TiN已经用于涂层材料。TiN高硬度、耐磨等良好力学性能是其作为保护涂层材料运用的重要因素，但更内在的原因是TiN材料成分容忍度很大，具有较宽的工艺窗口。在很大的Ti与N比例区间内都能够制备出B1相的硬质TiN涂层。TiN涂层的热稳定性较差，高温下很容易氧化，这限制了其在微机电行业或刀模具行业的运用。其他很多材料如DLC膜、憎水聚合物涂层、c-BN、TiN-SiN_x、C_xN_1-x，虽然具有高硬度、耐磨，但由于形成晶体条件苛刻、成分区间小，只能在实验室环境下制备出来，难以量化生产。工业生产中，情况更为复杂，如何制备工艺窗口大的硬质薄膜成为一个有价值的课题。DLC膜被开发来用于该方面的应用，但是其高达几个GPa的残余压应力会造成薄膜厚达100nm以上的分层剥离。更为甚者，DLC薄膜在温度超过723K后会不稳定致使其无法在高温下应用。低表面能的憎水聚合物涂层有望最小化接触面阻力和摩擦力，但是由于其相对较低的硬度值使得其无法改善LIGA微器件的抗磨性，而且当温度比周围环境温度稍高一点它们就会失效。c-BN成分区间小、形成条件苛刻，难以制备出立方相结构。尽管纳米复合结构的TiN-SiN_x硬度能够达到金刚石的硬度，但其对结构要求极为苛刻，需要精确调控晶体相及非晶的比例及配置，才能达到结构硬化的效果，此外该材料的重复率很低，不适合大规模工业运用。还有CN材料，它理论上的计算硬度超过金刚石的硬度。尽管目前实验上还未制备出该种材料，但研究过程中制备出性能优异的CN非晶材料。非晶材料的形成条件相对简单，成分区间上具有很大容忍度。如果薄膜所含元素通过强原子间作用力结合的话，能够制备出力学性能优异且工艺窗口大（成分区间广）的保护涂层。此外，非晶材料结构均匀、各向同性，可用于形状复杂微器件表面保护。因此，非晶材料成为微机电系统中微设备保护涂层或刀模具、工件表面防护薄膜的一种理想选择。

选择硼化物作为研究体系，原因在于硼是一种缺电子非金属元素，具有复杂的成键环境，能够形成多种结构复杂、性能特殊的材料，如高硬耐磨材料、半导体、超导体、热电材料、储氢材料等。作为超硬材料，富硼的硼化物晶体相的研究逐渐开始受到人们的关注。美国AMS实验制备的AlMgB₁₄具有高硬度、低摩擦系数、化学惰性等特点。它的出现更加激发了硼化物作为硬质材料研究的热潮。Cook等人【Y.Tian,A.F.Bastawros,C.C.H.Lo,A.P.Constant,A.M.Russell,and B.A.Cook,Appl.Phys.Lett.,83(2003)2781】进一步研究发现真空镀膜设备制备的硼化物多为非晶态，并首先提出将非晶态的AlMgB₁₄薄膜作为保护涂层运用到微机电系统，开辟了非晶硼化物薄膜新的运用领域。近期的第一性原理计算工作表明，在一系列同空间群Imma富硼化合物中，B₁₂C₂Mg晶体相的理论硬度超过了AlMgB₁₄晶体相的理论硬度。硼、碳都是通过共价键相互作用，成键较强，容易制备成硬质材料，因此非晶态的B-C-Mg很有可能成为另一种理想的保护涂层材料。