[发明专利]一种低温镀复金刚石薄膜的方法及设备

说明书

本发明涉及用等离子体化学汽相沉积法在金属或其他材料表面镀复金刚石薄膜的技术和设备。

由于金刚石薄膜性能优异，应用广泛，已引起人们的关注。目前制备金刚石薄膜的方法很多，常用的方法是以氢稀释的甲烷类碳氢化合物为反应气体，应用热丝化学汽相沉积法、弧光放电化学汽相沉积法、电弧喷射法、燃烧焰法或微波等离子体化学汽相沉积法等。

采用热丝化学汽相沉积法、弧光放电化学汽相沉积法、电弧喷射法、和燃烧焰法镀复金刚石薄膜时，由于镀膜时的衬底温度很高(800-1000℃)，所用的反应气体为甲烷类碳氢化合物，所以存在以下缺点：

1.在低熔点材料表面，不能镀复金刚石薄膜；

2.有些材料在这样的高温下镀膜，本身结构会发生变化，影响了它们原有的性能；

3.在高温条件下，碳原子在某些材料，例如在钢和铁中的扩散能力很强，因此在钢和铁基材的表面，不能镀复金刚石薄膜；

4.一般金刚石薄膜和被镀物体的热膨胀系数不同，在高温下镀膜，当物体镀膜后冷却到室温时，由于温度起伏较大，镀层易发生破裂甚至脱落；

5.由于反应气体中有氢原子，在镀膜过程中，存在氢原子对被镀材料和镀层的不利影响，被镀材料易发生氢脆，镀层也易破裂甚至脱落。

微波等离子体化学汽相沉积法，虽然可以在较低的温度下镀复金刚石薄膜，但它有以下缺点：

1.设备昂贵；

2.反应室一般都较小，因此不能镀复大的工件；

3.由于镀膜过程中也有氢存在，所以也会有氢原子对被镀材料和镀层的不利影响。

本发明的目的是提供一种能在低温下镀复金刚石薄膜、因而在低熔点材料、钢、铁表面都能镀复金刚石薄膜、并且没有氢不利影响的镀复金刚石薄膜的方法和价廉的镀膜设备。

本发明的镀复金刚石薄膜的方法的技术解决方案是：

本发明的镀复金刚石薄膜的方法是以一氧化碳和氮混合气体为气源，应用高频等离子体化学汽相沉积法在衬底表面镀复金刚石薄膜。也就是在低真空条件下，在反应室中的两极之间，一氧化碳和氮混合气体经高频放电作用而发生分解，使碳原子在衬底表面沉积，形成金刚石薄膜。具体的做法是：在低于1000Pa的一氧化碳和氮混合气体的气压下，在500-1000伏电压、1MHz-50MHz的高频放电作用下，一氧化碳和氮在两个电极之间分解，使一氧化碳等离子体中的碳原子，在衬底表面主要以金刚石的结构方式凝聚和生长，在衬底表面镀复金刚石薄膜。所用混合气体的组分是一氧化碳一份，氮气2-10份(V/V)。为了降低放电电压，可以在混合气体中加入1-3％的氩气。

本发明的镀复金刚石薄膜的设备的技术解决方案是：

镀复设备主要有一个反应室，反应室为金属腔体结构，其中有两个电极，有进气管道，通过进气管道，混合气体可以进入反应室中，有一抽气管，通过抽气管，可以将反应室抽成真空。为了适应被镀工件不同的形状和大小，两电极之间的距离可以调节。为了使衬底上沉积的金刚石薄膜厚度均匀，在进气管的出口处可以加置一个气体分配装置。在反应室外可以有加热衬底的加热器，以控制镀膜过程的温度，镀膜可以在室温至500℃之间进行。两电极之间加以500-1000伏电压、频率为1MHz-50MHz的电源，以达到放电效果。混合气体流量为20-120SCCM。

采用本发明的镀复金刚石薄膜的方法和设备有如下优点和效果：

1.设备简单，操作方便，投资少，建设周期短；

2.镀膜面积大而且均匀，反应室可根据被镀工件的形状和大小设计；

3.由于镀膜温度低，可在低熔点材料表面甚至塑料表面镀复金刚石薄膜，也可在钢铁为基材的高速工具钢刀具表面镀复金刚石薄膜。

4.由于镀膜温度低，温度起伏小，不会因薄膜和衬底材料的热膨胀系数不同，镀层破裂甚至脱落。镀层和衬底之间附着十分牢固。

5.由于本发明用的是一氧化碳和氮组成的混合气体，杜绝了氢原子，避免了氢原子对被镀材料和镀层的不利影响。

应用本发明，在不同材料表面镀复金刚石薄膜，其硬度和使用寿命都有明显增加，如在高速工具钢花辊槽铣刀表面镀复0.2um厚的金刚石薄膜，其HRC硬度超过70，使用寿命增加5倍。

附图说明：

图1为镀复金刚石薄膜反应室的一个实施例的示意图。

实施例1.镀复金刚石薄膜设备。