一種磁控濺射低溫制備dlc薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于硬質(zhì)薄膜領(lǐng)域。特別是設(shè)及一種低溫環(huán)境下等離子體輔助磁控瓣射法 制備DLC薄膜，利用等離子體輔助李生祀中頻或脈沖直流磁控瓣射技術(shù)制備了 DLC硬質(zhì)薄 膜的新工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] DLC又被稱作（類金剛石）薄膜作為一種多功能材料，它具有高硬度、低電阻、低摩 擦系數(shù)、良好的導(dǎo)熱性、光透過性等性能，被譽(yù)為21世紀(jì)最具影響戰(zhàn)略新型材料之一，在機(jī) 械、光學(xué)、電子、航天等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。常見的制備DLC薄膜的方法有很多，傳統(tǒng) 磁控瓣射是鍛制DLC薄膜常用的方法。它的優(yōu)點(diǎn)在于磁控瓣射法可W獲得表面粗糖度低， 均勻性良好的DLC薄膜。但是傳統(tǒng)的磁控瓣射法也有它的不足之處，磁場(chǎng)約束的高密度等 離子體區(qū)只能分布在祀面附近，而整個(gè)沉積室內(nèi)的等離子體密度低。在鍛膜過程中由于離 化率低，在保證高的沉積速率的同時(shí)很難獲得高SP 3鍵含量的DLC薄膜，而且為了保證化C 薄膜的SP3鍵相對(duì)高的含量，整個(gè)沉積過程須保持在恒定100-150°C環(huán)境下。運(yùn)樣使得化C 薄膜的鍛制條件范圍窄，因而給DLC薄膜大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)帶來不可避免的麻煩。從而 制約了傳統(tǒng)磁控瓣射鍛膜技術(shù)的生產(chǎn)效率和應(yīng)用范圍。本發(fā)明采用在沉積室內(nèi)引入等離子 體區(qū)域的方法，提高鍛膜時(shí)工作氣體的離化率，基于此種方法對(duì)傳統(tǒng)磁控瓣射技術(shù)的進(jìn)行 改進(jìn)，采用中頻或脈沖直流電源瓣射石墨祀，并控制工作氣體壓強(qiáng)、溫度、時(shí)間、瓣射功率等 工藝條件，在襯底上沉積DLC薄膜。使用本方法可W在低溫環(huán)境下制備性能良好的DLC薄 膜，提高SP3鍵含量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是，提供一種DLC硬質(zhì)涂層的制備方法。該方法采用等離子體輔助 中頻或脈沖直流反應(yīng)磁控瓣射技術(shù)，沉積溫度為低溫環(huán)境，所制備的DLC硬質(zhì)薄膜性能良 好，SP 3鍵含量高，即SP ^Zsp2比值大。
[0004] 本發(fā)明首先采用李生祀脈沖直流磁控瓣射方法，通過在沉積室內(nèi)引入一等離子體 區(qū)，提高真空室內(nèi)等離子體密度，增加鍛膜時(shí)氣體離化率，當(dāng)工件經(jīng)過瓣射石墨祀附近等離 子體區(qū)域沉積了 DLC薄膜之后，進(jìn)入等離子體源產(chǎn)生的等離子體區(qū)進(jìn)一步生成sp3含量高 的類金剛石薄膜。并且由工藝要求，沉積溫度可W恒定在室溫或是低溫狀態(tài)。 陽(yáng)0化]用于制備DLC硬質(zhì)涂層的磁控瓣射陰極采用中頻電源或脈沖直流電源，瓣射祀材 為石墨，制備薄膜時(shí)，控制工作氣體（氣氣）壓強(qiáng)在0. lPa-3Pa;溫度恒定在室溫-200°C的 某一值；瓣射電源電流在1A-30A等條件，在襯底上沉積DLC薄膜。
[0006] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)： 陽(yáng)007] 1)與傳統(tǒng)磁控瓣射法制備DLC硬質(zhì)薄膜相比，本技術(shù)制備的薄膜結(jié)晶度、致密性 及硬度得到提高，表面粗糖度小，薄膜與襯底有較高的結(jié)合力，很難產(chǎn)生局部脫落
[0008] 2)與傳統(tǒng)磁控瓣射法制備DLC硬質(zhì)薄膜相比，本發(fā)明方法增大了真空室內(nèi)等離子 體區(qū)，提高了真空室內(nèi)氣體離化率，使用DLC薄膜反應(yīng)更充分。利于沉積高SP3鍵含量的化C 薄膜。
[0009] 扣整個(gè)沉積過程中，真空室維持在：室溫~100°C，為低溫環(huán)境，在不破壞高速鋼 等工件的前提下沉積DLC薄膜，運(yùn)樣就增加了待鍛工件材料的種類。利于DLC薄膜在多領(lǐng) 域的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0010] 圖1新型等離子體輔助磁控瓣射結(jié)構(gòu)俯視示意圖1 ;1、李生祀，2、工件，3、公轉(zhuǎn)盤 公轉(zhuǎn)軸，4、工件盤，5、RF等離子體產(chǎn)生源，6真空室壁；
[0011] 圖2不同等離子體功率下
[0012] 制備薄膜拉曼光譜曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 使用設(shè)備：
[0014] 薄膜沉積裝置為ACSP 70/73型多功能離子鍛膜試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備含有：一臺(tái)北科 儀機(jī)械累和一臺(tái)日本大阪真空的分子累構(gòu)成真空系統(tǒng)；真空室內(nèi)有一個(gè)公轉(zhuǎn)圓盤，圓盤上 有若干齒輪鏈帶的自轉(zhuǎn)工件架，公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)比為1:20,每個(gè)工件架高度約為510mm ;真空室 內(nèi)含有若干加熱管，使真空室內(nèi)受熱均勻，保證真空室和襯底溫度誤差< 0. 5°C ;-臺(tái)IOKW 脈沖直流電源和一臺(tái)IOKW雙極性脈沖偏壓電源，瓣射電源頻率為40曲Z，瓣射過程中兩個(gè) 祀交替的作為陰極和陽(yáng)極，在負(fù)半周期內(nèi)出現(xiàn)祀材瓣射，正半周期內(nèi)中和祀面的積累電荷， 有效地防止了祀材中毒和陽(yáng)極消失現(xiàn)象；用作等離子體產(chǎn)生源的磁控瓣射陰極面積仍為 563mm(長(zhǎng)）X 106mm(寬），表面祀材采用北京有色金屬研究院生產(chǎn)的氧化侶陶瓷祀，采用常 州瑞思杰爾電子科技有限公司的RSG3500型射頻電源與PSG-IVA型射頻自動(dòng)匹配器，射頻 電源最大功率為3. 5kw ;
[0015] 新型等離子體輔助磁控瓣射結(jié)構(gòu)俯視示意圖1 ;1、李生祀，2、工件，3、公轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn) 軸，4、工件盤，5、RF等離子體產(chǎn)生源，6真空室壁；
[0016] 整個(gè)真空室為圓筒形結(jié)構(gòu)。
[0017] 公轉(zhuǎn)盤由上下圓盤及若干支撐桿組成，公轉(zhuǎn)軸通過上下圓盤圓屯、，公轉(zhuǎn)盤繞公轉(zhuǎn) 軸勻速旋轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在5-30;r/min范圍內(nèi)可調(diào)。公轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)方向按等離子體源與瓣射革己 相對(duì)位置設(shè)定或按鍛膜工藝要求設(shè)定。
[0018] 李生祀電源采用脈沖直流電源，李生祀形狀為矩形或圓柱形，李生祀磁場(chǎng)采用非 平衡磁場(chǎng)，祀背面采用循環(huán)水冷結(jié)構(gòu)。李生祀材料均為石墨，瓣射過程中兩個(gè)石墨祀交替互 為陰極和陽(yáng)極，每個(gè)單祀在負(fù)半周期時(shí)，工作狀態(tài)為瓣射祀材，正半周期時(shí)，工作狀態(tài)為中 和祀面的積累電荷。
[0019] 工件架為圓柱形或圓筒形，支撐桿均勻固定在公轉(zhuǎn)盤上，且必須保證所有工件架 上祀基距是相同的，工件架與公轉(zhuǎn)盤之間需用陶瓷墊片絕緣。根據(jù)鍛膜工藝的不同，在真空 室空間允許的情況下，工件架數(shù)量可W按要求盡可能多。工件架直徑、祀基距可W按鍛膜工 藝進(jìn)行調(diào)整。
[0020] 電機(jī)與公轉(zhuǎn)盤由墊板傳動(dòng)，工件架和公轉(zhuǎn)盤之間有齒輪傳動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)公轉(zhuǎn)盤，公 轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)工件架自轉(zhuǎn)。工件架的自轉(zhuǎn)速度由公轉(zhuǎn)速度和它們間的轉(zhuǎn)速比決定公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)比 為 1:20。
[0021] 等離子體發(fā)生源采用RSG3500型射頻電源與PSG-IVA型射頻自動(dòng)匹配器配套使 用，通過射頻自動(dòng)匹配器，反射功率可W控制到Ow;射頻電源功率輸入到真空室內(nèi)一非平 衡磁場(chǎng)磁控瓣射陰極（或稱之為非平衡磁場(chǎng)磁控瓣射祀），非平衡磁場(chǎng)磁控瓣射祀材料需 要采用難瓣射祀材，例如氧化侶、氧化鐵等材料，射頻電源功率控制在1000 W范圍內(nèi)，用W 保證祀材無任何瓣射，射頻電源功率是影響DLC薄膜質(zhì)量的重要因素。
[0022] 李生祀與等離子體發(fā)生源固定在真空室壁上，兩者距離小于1/2真空室圓周長(zhǎng)， 且二者位置可互換，運(yùn)與公轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)方向直接相關(guān)。每個(gè)瓣射李生祀的前表面裝有氣動(dòng)擋 板，每次鍛膜前，先只通入工作氣體，進(jìn)行祀面清洗，祀面干凈之后，再通入反應(yīng)氣體，待瓣 射過程W及公轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，開啟擋板，進(jìn)行薄膜沉積，完成DLC薄膜的制備。
[0023] 需要說明的是：非平衡磁場(chǎng)李生祀或非平衡磁場(chǎng)單祀都可W用做石墨祀。
[0024] 具體的工藝參數(shù)： 陽(yáng)0巧]離子源功率0~3. 5kw調(diào)節(jié)；石墨祀電流：1~15A調(diào)節(jié)；基底偏壓：-80~-200V ; 祀基距：120mm ;氣氣流量：200~300sccm ;本底真空度：5X 10 3Pa至5X 10 4Pa之間；工作 氣壓：0. 1~1化調(diào)節(jié)。
[0026] 實(shí)施例1:
[0027] 將尺寸為40 X 40 X 5mm的鋼片（p20的娃片和腳玻璃經(jīng)過清洗干燥后放入設(shè)備真 空室，抽真空至< 3Pa，開高閥、加熱管，待溫度穩(wěn)定在150°C，真空抽至5X10中日，充氣氣， 用質(zhì)量流量計(jì)控制氣氣進(jìn)氣流量，使其穩(wěn)定在0. 4Pa，開啟公轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在5r/min，無 離子源輔助，石墨祀電源電流至3A，使石墨祀起輝，逐步增加負(fù)偏壓-100V。打開擋板，開始 計(jì)時(shí)，通過控制沉積時(shí)間制備厚度不同的DLC硬質(zhì)薄膜。
[0028] 所制備的薄膜利用Renishaw(雷尼紹）拉曼光譜儀進(jìn)行拉曼光譜測(cè)試，測(cè)試結(jié)果 如圖2所示a曲線，從圖中可W看出，在無等離子體輔助時(shí)DLC薄膜SP3鍵含量較低。
[0029] 實(shí)施例2:
[0030] 將尺寸為40 X 40 X 5mm的鋼片、([)20的娃片和腳玻璃經(jīng)過清洗干燥后放入設(shè)備真 空室，抽真空至< 3Pa，開高閥、加熱管，待溫度穩(wěn)定在150°C，真空抽至5 X 10中日，充氣氣， 用質(zhì)量流量計(jì)控制氣氣進(jìn)氣流量，使其穩(wěn)定在0. 4Pa，開啟公轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在Sr/min，逐 步增加離子源功率至1000W，石墨祀電源電流至3A，使石墨祀起輝，逐步增加負(fù)偏壓-100V。 打開擋板，開始計(jì)時(shí)，通過控制沉積時(shí)間制備厚度不同的DLC硬質(zhì)薄膜。
[0031] 所制備的薄膜利用Renishaw曼光譜儀進(jìn)行拉曼光譜測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示a 曲線，從圖中可W看出，在無等離子體輔助時(shí)DLC薄膜SP3鍵含量較高。
[0032] 本發(fā)明通過對(duì)傳統(tǒng)磁控瓣射技術(shù)的改進(jìn)，在沉積室內(nèi)引入一等離子體區(qū)域，采用 中頻脈沖直流或直流瓣射瓣射石墨祀，并控制工作氣體壓強(qiáng)、溫度、時(shí)間、瓣射功率等工藝 條件，在襯底上沉積DLC薄膜。使用本方法可W在低溫環(huán)境下性能良好的DLC薄膜，薄膜的 SP3鍵含量得到提高，薄膜與襯底有較高的結(jié)合力，很難產(chǎn)生局部脫落。本發(fā)明可W為硬質(zhì) 薄膜的實(shí)驗(yàn)研究或工業(yè)生產(chǎn)提供樣品。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種磁控濺射低溫制備DLC薄膜的方法，工件材料采用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料；沉積設(shè) 備采用磁控濺射鍍膜設(shè)備，使用孿生靶濺射，濺射過程中兩個(gè)靶交替的作為陰極和陽(yáng)極； 鍍膜裝置中，薄膜沉積真空室內(nèi)單獨(dú)設(shè)置有一輔助的非平衡磁場(chǎng)磁控濺射陰極，非平 衡磁場(chǎng)磁控濺射陰極的靶材表面與工件的沉積面相對(duì)設(shè)置，工件的沉積面與孿生靶之間保 持固定的靶基距，非平衡磁場(chǎng)磁控濺射陰極通過導(dǎo)線經(jīng)射頻自動(dòng)匹配器與射頻電源相連； 在薄膜沉積過程中，非平衡磁場(chǎng)磁控濺射陰極作為等離子體發(fā)生源，在靶材表面與工 件鍍膜面間提供一等離子體區(qū)域，沉積在工件上的薄膜快速進(jìn)入等離子體反應(yīng)區(qū)，在等離 子體的作用下，DLC薄膜進(jìn)一步碳化，得到高sp 3鍵含量的DLC薄膜；同時(shí)在反應(yīng)區(qū)內(nèi)薄膜 在等離子體的轟擊作用下，使得所制備的薄膜變得致密表面光滑，薄膜與工件的結(jié)合力更 加牢固。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：濺射靶所采用的濺射電源是中頻電源或脈 沖直流電源。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，為等離子體輔助反應(yīng)磁控濺射低溫制備DLC薄膜方法，其 特征在于：制備過程包括以下步驟： (1) DLC薄膜的濺射工件 將清洗過的工件放入真空室，按照要求設(shè)定好磁控濺射鍍膜設(shè)備所需的工藝參數(shù)，充 入氣體，開靶電源，輝光之后開啟擋板，開始DLC薄膜的濺射； (2) DLC薄膜的進(jìn)一步反應(yīng) 開啟鍍膜裝置中的非平衡磁場(chǎng)磁控濺射陰極，于鍍膜裝置中形成等離子體區(qū)，工件的 公轉(zhuǎn)運(yùn)行軌跡通過等離子體區(qū)；當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)到引入的等離子體區(qū)域內(nèi)，工件上的DLC薄膜 進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，生成sp3鍵的含量較高的DLC薄膜。4. 如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于：DLC薄膜制備低溫環(huán)境可以為室溫到 200。。。5. 如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于：磁控濺射低溫制備DLC薄膜所采用的 離子源是陽(yáng)極層線性離子源、射頻離子源、霍爾離子源或考夫曼離子源。6. 如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于：工件周期性旋轉(zhuǎn)過濺射靶后，進(jìn)入離子 源產(chǎn)生的等離子體區(qū)，進(jìn)一步進(jìn)行碳化，提高了 sp3鍵的含量，增加 sp3/sp2比值。7. 如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于：非平衡磁場(chǎng)磁控濺射靶材料需 要采用難濺射靶材，無論采用何種材料，最終要將射頻離子源功率控制在一定范圍內(nèi) (100-1000W)，以確保在DLC薄膜沉積過程中，用作等離子體發(fā)生源的濺射靶材中無任何材 料被濺射出來，以免造成薄膜污染，即射頻電源加到靶材的最大功率要小于靶材料被濺出 的臨界功率。8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于：祀材料為A1 203或TiO 2等，射頻電源功率控 制在100-1000W范圍內(nèi)，用以保證靶材無任何濺射。9. 如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于：在沉積室內(nèi)引入一等離子體區(qū)域，采用 中頻電源或脈沖直流電源濺射石墨靶，控制工作氣體（氬氣）壓強(qiáng)在〇. lPa_3Pa ;溫度在室 溫-200°C ;濺射電源電流在1A-30A等條件，在襯底上沉積DLC薄膜。10. 如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于：等離子體源亦可作為等離子體發(fā)生 源，用于對(duì)工件表面進(jìn)行清洗；導(dǎo)體為白鋼或銅等，半導(dǎo)體為硅。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種磁控濺射制備DLC薄膜的方法，采用在沉積室內(nèi)引入一等離子體區(qū)域的方法，提高鍍膜時(shí)工作氣體的離化率，基于此種方法對(duì)傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)的進(jìn)行改進(jìn)，采用中頻或脈沖直流電源濺射石墨靶，并控制工作氣體壓強(qiáng)、溫度、時(shí)間、濺射功率等工藝條件，在襯底上沉積DLC薄膜。使用本方法可以在低溫環(huán)境下制備性能良好的DLC薄膜，提高SP3鍵含量。本發(fā)明可以為硬質(zhì)薄膜的實(shí)驗(yàn)研究或工業(yè)生產(chǎn)提供樣品。
【IPC分類】C23C14/06, C23C14/35
【公開號(hào)】CN105714256
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410742990
【發(fā)明人】李剛, 呂起鵬, 王 鋒, 公發(fā)全, 鄧淞文, 孫龍, 金玉奇
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所