專(zhuān)利名稱(chēng)：用于微機(jī)械表面的二硫化鉬電沉積方法及其電沉積液的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于減少微機(jī)械工作表面摩擦，提高潤(rùn)滑性能的安全、快速型MoS2電沉積液及其低溫MoS2潤(rùn)滑膜沉積技術(shù)。屬納米摩擦學(xué)表面工程的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，它以微電子及機(jī)械加工技術(shù)為依托，范圍涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動(dòng)控制學(xué)、材料科學(xué)等多種工程技術(shù)和學(xué)科。
但是由于微機(jī)械摩擦副之間同質(zhì)摩擦產(chǎn)生強(qiáng)烈的粘著磨損，以及可動(dòng)微機(jī)械穩(wěn)定性對(duì)輕微磨損的極度敏感，微機(jī)械往往在很短時(shí)間內(nèi)因磨損而失效。表面微觀摩擦問(wèn)題已經(jīng)成為微機(jī)械發(fā)展道路上的瓶頸。
二硫化鉬具有層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間為范德華力結(jié)合，分子能沿這些平面輕易滑移，剪切力小。由于實(shí)際晶體中存在晶格缺陷，剪切力進(jìn)一步減小，具有優(yōu)異的減摩性能，因此在宏觀摩擦領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
二硫化鉬薄膜涂覆手段很多，如直接涂抹，水浴涂覆，磁控濺射，電泳等。其中直接涂敷和水浴涂覆一般用于宏觀摩擦，對(duì)薄膜的尺寸和質(zhì)量要求不高；磁控濺射一般用于精密的儀器部件上，可控制薄膜的尺寸，薄膜質(zhì)量好，但是磁控濺射具有方向性，繞鍍性能不好，只適用平面鍍膜或結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的部件，在尺寸微小、機(jī)構(gòu)復(fù)雜的微機(jī)械沉積困難。電泳法是利用帶電二硫化鉬懸浮顆粒在電場(chǎng)作用下，遷移并沉積在零件表面。該法沉積的薄膜顆粒與原先溶液中的顆粒相同(約1μm)，相對(duì)微機(jī)械尺寸較大，并且薄膜不致密，故而一般應(yīng)用于宏觀摩擦領(lǐng)域。
利用新型的電沉積法在微機(jī)械表面沉積二硫化鉬薄膜不僅能用來(lái)改性硅表面微觀摩擦學(xué)性能，還能緊密與微電子機(jī)械系統(tǒng)制造工藝相結(jié)合，是微機(jī)械的摩擦問(wèn)題得到正真意義上的突破的有效途徑。二硫化鉬在微觀摩擦領(lǐng)域的研究不多，特別是作用在微機(jī)械表面的低溫沉積二硫化鉬工藝，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種鍍層均勻、鍍層與基體結(jié)合牢固、潤(rùn)滑性好的二硫化鉬電沉積液及電沉積方法。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明所述方法一種用于對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行表面處理的用于微機(jī)械表面的二硫化鉬電沉積方法，是將潔凈處理后的微機(jī)械材料基體置于儲(chǔ)有復(fù)合沉積液的電解槽中，并使待處理的機(jī)械零件與電源陰極連接，在室溫下，以每平方厘米待處理面積0.1毫安-500毫安的電流密度，接通電源電沉積0.5-120分鐘，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使二硫化鉬電沉積于待處理的機(jī)械零件表面，最后，取出待處理的機(jī)械零件，并對(duì)其清洗，干燥，在保護(hù)氣氛中加熱至100℃-900℃并保溫0.5～4小時(shí)，即得到10納米-500微米厚度的均質(zhì)二硫化鉬膜。
本發(fā)明所述產(chǎn)品1、一種用于機(jī)械零件表面處理的二硫化鉬沉積液，其特征在于包括可溶性鉬酸鹽、可溶硫化物、pH調(diào)節(jié)劑；可溶硫化物與可溶性鉬酸鹽的摩爾比為4～30∶1，pH調(diào)節(jié)劑與可溶性鉬酸鹽摩爾比為2～30∶1，水與可溶性鉬酸鹽的摩爾比為55～5500∶1。
目前還未見(jiàn)到關(guān)于可控電沉積法二硫化鉬在微機(jī)械減磨方面的應(yīng)用。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)與一般的表面技術(shù)比較，本發(fā)明所采用的工藝結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)制造中采用的光刻技術(shù)，可以有選擇的沉積出鍍層，實(shí)現(xiàn)了鍍層沉積位置的可控操作；同時(shí)，由于電沉積與磁控濺射沉積等許多技術(shù)相比具有優(yōu)越的仿形性，可以在形狀復(fù)雜的微機(jī)械上應(yīng)用，電沉積設(shè)備簡(jiǎn)單。
(2)本發(fā)明提供一種適用于微機(jī)械材料表面的安全快速的二硫化鉬鍍液配方及其可控化沉積的工藝，這種沉積層具有優(yōu)秀的潤(rùn)滑性能、低粘著能和穩(wěn)定的化學(xué)惰性，可以明顯的改善硅的摩擦學(xué)性能，延緩其斷裂。
(3)化學(xué)鍍鎳磷鍍層厚度可在納米-微米級(jí)變化，鍍層均勻，表面光滑，粗糙度為納米級(jí)。
(4)本發(fā)明所采用的添加劑為pH調(diào)節(jié)劑為酸性物質(zhì)HmRn或RnHm的一種或幾種，其中，R為鹵族元素、磷酸根、硫酸根、硝酸根、或烴基，H為氫離子或羧基，n＜7，m＜4，該至少包括一種有機(jī)酸或鹽，pH調(diào)節(jié)劑的作用為調(diào)節(jié)溶液酸度，提高電沉積有效成分的含量，提高薄膜沉積的速度，使薄膜層更加均勻，增加表面光潔度。
(5)本發(fā)明利用涂膠光刻的辦法，實(shí)現(xiàn)了鍍層位置可控特點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1一種用于機(jī)械零件表面處理的二硫化鉬沉積液，其特征在于包括可溶性鉬酸鹽、可溶硫化物、pH調(diào)節(jié)劑，其中可溶性鉬酸鹽本實(shí)施例中可以選擇為鉬酸鈉、鉬酸銨，可溶性硫化物本實(shí)施例中可以選擇為硫化鈉、硫化銨、酸度調(diào)節(jié)劑本實(shí)施例中可以選擇為鹽酸、磷酸、醋酸；可溶硫化物與可溶性鉬酸鹽的摩爾比為4～30∶1，5∶1、7∶1、20∶1、27∶1；酸度調(diào)節(jié)劑與可溶性鉬酸鹽摩爾比為2～30∶1，本實(shí)施例中可以選擇為3∶1、7∶1、14∶1、24∶1，水與可溶性鉬酸鹽的摩爾比為55～5500∶1，本實(shí)施例中可以選擇為70∶1、300∶1、2000∶1、3890∶1、5100∶1。
實(shí)施例2一種用于微機(jī)械表面處理的二硫化鉬電沉積液，配置該溶液所需成分為可溶性鉬酸鹽、可溶硫化物、pH調(diào)節(jié)劑和水，其中可溶性鉬酸鹽本實(shí)施例中可以選擇為鉬酸鈉、鉬酸銨，本實(shí)施例中可以選擇為硫化鈉、硫化銨、酸度調(diào)節(jié)劑本實(shí)施例中可以選擇為鹽酸、磷酸；除去水，可溶性鉬酸鹽所占摩爾百分比為1-30％，本實(shí)施例中可以選取為5％，20％，27％，可溶性硫化物占摩爾百分比為10-50％，本實(shí)施例中可以選擇為14％，25％，40％，45％，酸度調(diào)節(jié)劑所占摩爾百分比為10-50％，本實(shí)施例中可以選擇為14％，25％，40％，45％，上述添加劑可以是鹽酸、磷酸、醋酸、乳酸、丙酸、蘋(píng)果酸、丁二酸等中的一種或多種的組合，且其組分的配比可為任意配比。
實(shí)施例3用本發(fā)明的二硫化鉬沉積液配方處理微機(jī)械用N型單面拋光單晶硅片。該圓片的直徑為3英寸，晶向110方向，摻雜砷，電導(dǎo)率0.002歐姆厘米二硫化鉬的成分及低溫電沉積工藝如下二硫化鉬電沉積液的成分成分 濃度(Mol/L)鉬酸鈉0.01~0.1硫化鈉0.04~0.9鹽酸 0.04~0.5將基體放入80℃的鹽酸、雙氧水溶液中浸泡20分鐘，清洗后第二步微機(jī)械材料基體儲(chǔ)于有上述復(fù)合沉積液的電解槽中，并使待處理的機(jī)械零件與電源陰極連接，在室溫下，以每平方厘米待處理面積0.1毫安-500毫安的電流密度，本實(shí)施例中可以選擇為0.2毫安、3毫安、43毫安、60毫安、80毫安接通電源電沉積0.5-120分鐘，本實(shí)施例中可以選擇為2分鐘、10分鐘、23分鐘、44分鐘、60分鐘、90分鐘、111分鐘發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使二硫化鉬電沉積于待處理機(jī)械零件的表面，最后，取出待處理的機(jī)械零件，并對(duì)其清洗，干燥，在氮?dú)?或氬氣)保護(hù)氣氛中100度-900度條件下保溫0.5～4小時(shí)，本實(shí)施例中可以選擇為120℃、300℃、450℃、600℃、888℃、1.6小時(shí)、2小時(shí)、3.5小時(shí)、3.7小時(shí)即得到10納米-500微米厚度的均質(zhì)二硫化鉬膜。
實(shí)施例3一種利用上述沉積液對(duì)微機(jī)械進(jìn)行表面處理的方法是先對(duì)微機(jī)械零件的待處理表面進(jìn)行潔凈處理，該潔凈處理包括進(jìn)行氫氧化鈉溶液脫脂、除油、乙醇超聲振蕩除灰，將基體放入80℃的鹽酸、雙氧水溶液中浸泡20分鐘，等，然后涂膠光刻，涂膠光刻的主要工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)速2500-4500轉(zhuǎn)/分鐘，前烘時(shí)間10-50分鐘，溫度80℃-100℃，曝光時(shí)間20-60秒。最后置于儲(chǔ)于有上述復(fù)合沉積液的電解槽中，并使待處理的機(jī)械零件與電源陰極連接，在室溫下，以每平方厘米待處理面積0.1毫安-500毫安的電流密度，本實(shí)施例中可以選擇為0.2毫安、3毫安、43毫安、60毫安、80毫安接通電源電沉積0.5-120分鐘，本實(shí)施例中可以選擇為2分鐘、10分鐘、23分鐘、44分鐘、60分鐘、90分鐘、111分鐘發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使二硫化鉬電沉積于待處理機(jī)械零件的表面，最后，取出待處理的機(jī)械零件，并對(duì)其清洗，干燥，在氮?dú)?或氬氣)保護(hù)氣氛中100℃-900度條件下保溫0.5～4小時(shí)，本實(shí)施例中可以選擇為120℃、300℃、450℃、600℃、888℃、1.6小時(shí)、2小時(shí)、3.5小時(shí)、3.7小時(shí)，去離子水清洗后放入80～100℃的硫酸和雙氧水的溶液中進(jìn)行除膠，再對(duì)其清洗，干燥。在選定區(qū)域即得到10納米-500微米厚度的均質(zhì)二硫化鉬膜。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行表面處理的用于微機(jī)械表面的二硫化鉬電沉積方法，其特征在于將潔凈處理后的微機(jī)械材料基體置于儲(chǔ)有復(fù)合沉積液的電解槽中，并使待處理的機(jī)械零件與電源陰極連接，在室溫下，以每平方厘米待處理面積0.1毫安-500毫安的電流密度，接通電源電沉積0.5-120分鐘，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使二硫化鉬電沉積于待處理的機(jī)械零件表面，最后，取出待處理的機(jī)械零件，并對(duì)其清洗，干燥，在保護(hù)氣氛中加熱至100℃-900℃并保溫0.5～4小時(shí)，即得到10納米-500微米厚度的均質(zhì)二硫化鉬膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微機(jī)械表面的二硫化鉬電沉積方法，其特征在于通過(guò)涂膠光刻使待沉積表面露出，在沉積了二硫化鉬膜后，將微機(jī)械材料基體放入70℃～90℃的硫酸和雙氧水除膠液中除去膠。
3.一種用于實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的二硫化鉬電沉積液，其特征在于包括可溶性鉬酸鹽、可溶硫化物、pH調(diào)節(jié)劑，可溶硫化物與可溶性鉬酸鹽的摩爾比為4～30∶1，pH調(diào)節(jié)劑與可溶性鉬酸鹽摩爾比為2～30∶1，水與可溶性鉬酸鹽的摩爾比為55～5500∶1。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二硫化鉬電沉積液，其特征在于pH調(diào)節(jié)劑為酸性物質(zhì)HmRn或RnHm的一種或幾種，其中，R為鹵族元素、磷酸根、硫酸根、硝酸根、或烴基，H為氫離子或羧基，n＜7，m＜4。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了用于微機(jī)械表面的二硫化鉬電沉積方法及其電沉積液。方法將潔凈處理后的微機(jī)械材料基體置于儲(chǔ)有復(fù)合沉積液的電解槽中，使待處理的機(jī)械零件與電源陰極連接，在室溫下，以每平方厘米待處理面積0.1毫安－500毫安的電流密度，接通電源電沉積0.5－120分鐘，使二硫化鉬電沉積于待處理的機(jī)械零件表面，最后，取出待處理的機(jī)械零件，并對(duì)其清洗，干燥，在保護(hù)氣氛中加熱至100℃－900℃并保溫0.5～4小時(shí)，即得到10納米－500微米厚度的均質(zhì)二硫化鉬膜。沉積液包括可溶性鉬酸鹽、可溶硫化物、pH調(diào)節(jié)劑，可溶硫化物與可溶性鉬酸鹽的摩爾比為4～30∶1，pH調(diào)節(jié)劑與可溶性鉬酸鹽摩爾比為2～30∶1，水與可溶性鉬酸鹽的摩爾比為55～5500∶1。
文檔編號(hào)C25D9/00GK1614101SQ20041006480
公開(kāi)日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者蔣建清, 張旭海, 于金 申請(qǐng)人:東南大學(xué)