磁控溅射法制备碳化钨薄膜的研究及其进展

李军

摘 要：碳化钨具有非常优异的物理性功能，比如高品质、高耐磨性、高熔点、低模系数，而它现在也可以作为一种理想的优质合金材料，被广泛地运用于切割工具和矿井行业当中。目前制备碳化钨粉末和薄膜的工艺多种多样，比如程序升温法、化学气相沉积法、物理气相沉积法。磁控溅射法是最近发展出来的一种物理气相沉积法，它具有较低的温度，较高的速率，因此成了碳化钨薄膜的研究热点。基于此，本文以磁控溅射法制备碳化钨薄膜为研究方向展开讨论。

关键词：磁控溅射法;碳化钨薄膜;进展

一、磁控溅射概述

薄膜是特殊的制备技术形成的亚微米或微米级薄膜。现在薄膜已经应用到各个领域，使产业迅速发展，如塑料、金属制品，建筑玻璃、液晶显示屏等运用了薄膜，已經得到了较大的发展。通常制备薄膜的方法有多种多样，常见的方法有物理、化学沉积法。物理沉积法是目前应用较多的一种方法，它是在真空的条件下利用物理的方法，将气体分化成原子、分子、离子，由此形成的一种薄膜。由物理方法制成的薄膜包括真空镀膜、溅射镀膜、离子镀膜。随着时代的发展，目前磁控溅射镀膜在新形势下是运用较多的方法，它是在真空室内利用粒子轰击，并通过粒子传递实现的原子和离子之间的一种分离，如此形成的一种薄膜技术。磁控溅射技术，它有诸多优点，例如它可以快速沉积，而且可以运用于许多产物之中，并且其形成的薄膜致密度较好，附着性较高。

二、磁控溅射方法制备碳化钨薄膜的优势

磁控溅射镀膜是物理气相沉积薄膜中的一种方式，它有诸多优点，比如能够加大沉积的速度和面积，几乎所有的金属化合物都可以在短时间内快速形成相应的材料薄膜。不仅如此，利用磁控溅射方法还可以实现大规模的生产。正是由于磁控溅射镀膜的多种优势，如此使其目前得到了广泛的应用，尤其是20世纪70年代后更是得到了迅猛的发展，目前已经在光学、冶金工业等多种行业得到了广泛的应用。与其他方式制备的薄膜相比这种膜有更好地致密性和附着性，所以它比蒸发薄膜以及电镀，更有巨大的优势，因此目前溅射技术制备薄膜是一种广泛的应用方式。其优势还体现在它对于任何待镀材料都能使其成为实现溅射，而且在进行溅射时机体底部还需要增设夹层，这样所获得的薄膜和机体结合将更好。其次，它可以在较低的工作气压下获得较高的沉积效率，溅射所获得的薄膜程度较高，并且膜的致密度较好。最后，溅射工艺可重复性，厚薄可控制，同时也可以在大面积的物体上获得厚度均匀的薄膜。由此可见，磁控溅射方法能够较好地制得碳化钨薄膜。

三、磁控溅射法制备碳化钨薄膜作为硬质材料的研究进展

3.1 低温沉积

一般情况下为了提高材料的性能，比如硬度，就要求材料必须为晶态物质，所以在各类机体上沉积晶体状态的薄膜有两种形式。第一种方法，通过直接静态沉积的方法制定晶态薄膜。第二种方法是通过非晶态沉积，再经过预热处理转化为晶态。然而直接通过静态沉积薄膜的方式获得，晶态物质沉积的温度必须要高达800摄氏度以上，这一温度无疑对物体造成了损伤。所以目前静态薄膜的沉积方法通常是选择热处理转换。但是如果800摄氏度时的退火、晶化处理会使薄膜的成分发生变化，导致表层的损耗，或是有金属析出，所以要解决这个问题，必须要考虑在退火过程当中碳的补充。德国学者曾经提出用丙烯和氢气的混合气体作为保护反应气体，在退火中，同时弥补碳的损耗，现如今已经取得了良好的效果，所以就要求先在室温下用磁控溅射法取得非晶体薄膜，随着退火过程当中控制丙烯在整个气氛当中的分压，就能够控制薄膜的含量，直至整个薄膜形成。用丙烯和苯作为碳气体的补充，在热处理的过程当中，虽然能够使得碳化钨薄膜在沉积过程当中能够进行，但是晶化的热处理温度仍然需要高于845摄氏度，尽管晶化过程远远要比沉积过程短，但是对物体的损伤仍然存在，由此，这种工艺不能达到实际的需求。基于此，相关学者就将低温下的溅射沉积纳米碳化钨薄膜的方法引入碳化钨薄膜制备过程当中，这种技术它能够提供碳源，能够将碳60进行蒸发作为碳源，用静态法溅射沉积的温度在400摄氏度即可，无需后续的热处理就可以得到较好的碳化钨薄膜。

3.2 高硬质沉积

碳化钨的硬质合金薄膜是晶粒越小，缺陷越小，晶粒尺寸如果能够达到纳米量级，那么它的缺陷就会更少。如果能够用脉冲反应磁控溅射法制备纳米级碳化钨薄膜，在一定程度上能够提高碳化钨薄膜的硬度，使其硬度达到相关需求。除此之外，还可以在碳化钨的外层包裹一层更硬的材料，也是提高薄膜硬度的一种尝试，一般会将金刚石碳膜作为这种外层材料，还有学者会运用平衡磁控溅射碳化物外包金刚石薄膜，这样能够使其在原有的基础之上提高硬度。

3.3耐磨、耐腐蚀性沉积

在石油的开采过程当中，工作环境极其恶劣，要求泵关键部位的硬度必须要达到30GPa以上，并且要求其要承受水流的冲蚀。所以急需要制备一种硬度和耐腐蚀性的碳化钨薄膜，随后，就运用了磁控溅射法制备了碳化钨薄膜，其中含有合金、耐腐蚀性，这种膜的硬度高达38GPa，并且耐腐蚀性优良，与基体的结合力要比纯的碳化钨薄膜要高，这种膜已经成功地应用于石油开采过程当中，并且它的寿命要比普通的碳化钨薄膜高出6倍。

结束语

未来磁控溅射法将会制备更优化的碳化钨薄膜，首先它能够在低温下直接沉积碳化钨晶态硬质薄膜，目前已经得到了广泛的应用，只需在400度下就能够制成这种薄膜，在一定程度上拓宽了碳化钨薄膜的应用范围。除此之外，它能够作为催化电极制备pvd碳化钨薄膜。所以未来磁控溅射法将会推动碳化钨薄膜朝着更优化的方向发展，将会拓宽碳化钨薄膜的应用。

参考文献

[1] 郑华均，黄建国.磁控溅射法制备碳化钨薄膜的研究及应用进展[J].浙江化工，2005（01）：35-38.