專利名稱：基于強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)降低超硬多層薄膜殘余應(yīng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種基于強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)降低超硬多層薄膜殘余應(yīng)力的方法，屬于材料表面工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
幾乎所有采用PVD、CVD或電子沉積技術(shù)制備的薄膜中都存在殘余應(yīng)力，這成了制約薄膜材料廣泛應(yīng)用的一個(gè)根本問題。對(duì)于改善薄膜應(yīng)力的方法，目前較多的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)是在薄膜制備過程中采用相應(yīng)的技術(shù)手段，到目前為止，國內(nèi)外還沒有基于強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)在成膜后改善超硬多層薄膜殘余應(yīng)力的相關(guān)專利和報(bào)導(dǎo)。超硬多層薄膜的特點(diǎn)是硬度高(在40GPa以上)；厚度較薄(微米級(jí))；層數(shù)較多(可達(dá)幾十層以上)；涂層內(nèi)部形成多界面結(jié)構(gòu)。雖然多層薄膜的綜合性能要優(yōu)于單層薄膜，但由于多界面的存在，可能產(chǎn)生較大的晶格錯(cuò)配，從而導(dǎo)致多層薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力較大，這在很大程度上限制了多層薄膜的應(yīng)用。但迄今為止，尚未有在成膜后用于降低超硬多層薄膜應(yīng)力的方法。HIPIB技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代末的慣性約束核聚變和高能密度物理研究，在隨后20多年的發(fā)展過程中，該技術(shù)在材料領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力逐步顯現(xiàn)出來，特別是具有短脈沖、中等功率(IO6 109W/cm2)的強(qiáng)流脈沖離子束，在材料表面改性和新材料合成等方面的應(yīng)用越來越廣泛。由于HIPIB自身所具有的高能量密度、短脈沖寬度的特點(diǎn)，使之成為用于快速蒸發(fā)或熔化靶材近表面層的理想熱源。蒸發(fā)的材料可以在基體材料上形成涂層，而表面熔化及隨后的急冷可以形成非晶層、熔融偏析以及形成非平衡亞結(jié)構(gòu)。HIPIB與材料表面的相互作用主要伴隨以下三個(gè)過程(1)能量傳輸過程-材料的快速加熱、熔化和蒸發(fā)/燒蝕及隨后的快速冷卻；(2)質(zhì)量傳輸過程-表面燒蝕等離子體的形成與膨脹，表面成分發(fā)生擴(kuò)散遷移；(3)動(dòng)量傳輸過程-反沖沖量及材料內(nèi)部應(yīng)力波的形成。顯著的能量、質(zhì)量和動(dòng)量作用，有效地造成材料表面形態(tài)、結(jié)晶狀態(tài)及其晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的變化，從而導(dǎo)致材料表面各種性能的相應(yīng)改變。利用強(qiáng)流脈沖離子束發(fā)生裝置產(chǎn)生不同能量密度和束流密度的C/H混合離子束， 對(duì)多層薄膜進(jìn)行不同次數(shù)的輻照處理，比較輻照前后薄膜殘余應(yīng)力的變化，對(duì)不同種類的薄膜確定最優(yōu)輻照參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)降低超硬多層薄膜殘余應(yīng)力的方法， 它對(duì)于均質(zhì)和非均質(zhì)薄膜都是適用的。本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟(1)強(qiáng)流脈沖離子束的產(chǎn)生強(qiáng)流脈沖離子束(High-Intensity Pulsed Ion
3Beam-HIPIB)通常指的是離子能量E = IO5 107eV，脈沖寬度τ彡1 μ s，功率密度ρ = IO7 1014ff/cm2,離子束流密度Ji >> ΙΑ/cm2,能量密度q > lj/cm2的離子束，也有人稱之為強(qiáng)脈沖離子束(Intense Pulsed Ion Beam-IPIB)或高功率離子束(High Power Ion Beam-HPIB)。本發(fā)明采用聚合物陽極的單極脈沖模式外磁絕緣離子二極管產(chǎn)生C/H離子束 (30% Cn+和70H+)，根據(jù)不同薄膜采取加速電壓為300 350kV，脈沖寬度為70ns。(2)切割薄膜樣品，利用X射線衍射技術(shù)測量薄膜樣品的相結(jié)構(gòu)。(3)將樣品放入輻照室，抽真空至10_3Pa。(4)采用不同的束流密度對(duì)薄膜進(jìn)行輻照處理。利用X射線衍射技術(shù)測量每次輻照前后薄膜樣品的相結(jié)構(gòu)。根據(jù)衍射峰的偏移量，計(jì)算薄膜樣品的應(yīng)力變化。應(yīng)力的存在會(huì)使晶格發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致晶格常數(shù)的變化。相應(yīng)的面間距也會(huì)發(fā)生變化。公式1 :2d sin θ = λ可根據(jù)公式1確定面間距d與衍射角θ的變化關(guān)系。涂層的應(yīng)力可根據(jù)公式2計(jì)算，公式2
權(quán)利要求
1. 一種基于強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)降低超硬多層薄膜殘余應(yīng)力的方法，其特征在于包括如下步驟，(1)產(chǎn)生強(qiáng)流脈沖離子束采用聚合物陽極的單極脈沖模式外磁絕緣離子二極管產(chǎn)生 C/H離子束30%Cn+和70H+，根據(jù)不同薄膜采取加速電壓為300 350kV，脈沖寬度為70ns， 不同的束流密度和輻照次數(shù)；(2)切割薄膜樣品，利用X射線衍射技術(shù)測量薄膜樣品的相結(jié)構(gòu)；(3)將樣品放入輻照室，抽真空至10_3Pa；(4)采用不同的束流密度對(duì)薄膜進(jìn)行輻照處理；利用X射線衍射技術(shù)測量每次輻照前后薄膜樣品的相結(jié)構(gòu)；根據(jù)衍射峰的偏移量，計(jì)算薄膜樣品的應(yīng)力變化；HIPIB輻照前薄膜中存在的應(yīng)力為
全文摘要
一種基于強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)降低硬質(zhì)薄膜殘余應(yīng)力的方法，屬于材料表面工程技術(shù)領(lǐng)域。該方法利用強(qiáng)流脈沖離子束發(fā)生裝置產(chǎn)生不同能量密度和束流密度的C/H混合離子束，對(duì)多層薄膜進(jìn)行不同次數(shù)的輻照處理，比較輻照前后薄膜殘余應(yīng)力的變化，對(duì)不同種類的薄膜確定最優(yōu)輻照參數(shù)。該方法適用于不同種類的均質(zhì)和非均質(zhì)超硬多層薄膜，能量轉(zhuǎn)換效率高，具有很好的能量沉積深度分布。設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，輻照作用面積大，影響深度深，在一個(gè)脈沖內(nèi)，可處理的面積達(dá)100cm2以上，并且由于動(dòng)量反沖作用，其輻照影響區(qū)域遠(yuǎn)大于離子射程。由于輻照作用是全方位的，非常適合異型工件，可靠性高，重復(fù)性好，高效節(jié)能，成本低，應(yīng)用前景廣。
文檔編號(hào)C23C14/58GK102321874SQ20111029995
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者林國強(qiáng), 林莉, 邢晶, 郝勝智, 陳軍 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)