磁過濾陰極電弧技術(shù)沉積高sp³鍵含量四面體非晶碳薄膜的工藝優(yōu)化研究

　　通過對不同基片偏壓下磁過濾器電流對四面體非晶碳( ta-C) 薄膜sp3鍵含量影響的研究, 探討了磁過濾陰極電弧技術(shù)制備高sp3 鍵ta-C 薄膜優(yōu)化工藝條件。在不同的基片偏壓下, 薄膜沉積率隨著磁過濾器電流增大而增大。當(dāng)基片偏壓為200 V 時, 磁過濾器電流從5 A 增大至13 A, I D/ I G 從0.18 增加到0.39; 當(dāng)基片偏壓500 V 時, I D/ I G 從1.3 增加到2.0; 證明隨著磁過濾器電流的增大, 薄膜中的sp3 鍵含量在減少, sp2 鍵及sp2 團(tuán)簇在逐漸增加。真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)研究表明除了基片偏壓, ta-C 薄膜sp3鍵含量與制備工藝中磁過濾電流也具有及其密切的關(guān)聯(lián). 因此, 基片偏壓與磁過濾器電流是ta-C 薄膜制備中需要優(yōu)化的工藝條件。優(yōu)化和選擇合適的基片偏壓與磁過濾器電流對ta-C 薄膜的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用具有極其重要的意義。

　　四面體非晶碳( ta-C) 膜具有極高的sp3鍵含量,這使其具有很多優(yōu)異的性能, 例如具有極高的硬度和優(yōu)異的減摩抗磨性能, 適于作為切削工具, 活塞,齒輪, 自動化構(gòu)件等的耐磨損保護(hù)涂層; 具有極高的熱導(dǎo)率和優(yōu)良的抗熱沖擊性能, 可用來制作大功率電子器件的散熱層 ; 具有從紅外到紫外寬波段范圍內(nèi)極高的透過率, 可用作航天器或其他部件紅外窗口的增透保護(hù)膜; 具有極高的電阻率和良好的摻雜性能, 可用來制備平板顯示器等新型電子器件。

　　在磁過濾陰極真空電弧沉積ta-C 薄膜時, ta-C薄膜的sp3鍵的含量與沉積的碳離子能量有關(guān)( 約為120 eV) 。一般來說, 入射離子的能量通過襯底偏壓進(jìn)行調(diào)節(jié), 因此基片偏壓是ta-C 薄膜沉積中獲得高sp3鍵含量薄膜的重要的工藝參數(shù)。但是由于ta-C 薄膜的沉積過程十分復(fù)雜, 基片偏壓并不是決定薄膜sp3 鍵含量的唯一因素。這是因?yàn)閠a-C 薄膜中sp3鍵結(jié)構(gòu)的形成與薄膜生長過程中碳離子的能量和對薄膜生長有貢獻(xiàn)的含碳基團(tuán)有關(guān), 碳離子及碳基團(tuán)是通過磁過濾電流產(chǎn)生的磁場被選擇和輸運(yùn), 然后在基片偏壓的作用下沉積在基底材料上。

　　因此, 本文將磁過濾器電流和基片偏壓同時作為ta-C 薄膜獲得高sp3鍵結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù), 并且著重研究了磁過濾器電流對ta-C 薄膜的sp3鍵含量的影響, 探討磁過濾陰極真空電弧技術(shù)制備具有高sp3鍵含量ta-C 薄膜的工藝及其優(yōu)化條件, 這對工業(yè)化制備高質(zhì)量ta-C 薄膜具有十分重要的意義和作用。

　　利用過濾陰極真空電弧技術(shù)制備ta-C 薄膜, 陰極采用純度為99.99% 的石墨, 磁過濾器采用s 型雙彎管, 基片材料為單晶硅單面拋光片。試驗(yàn)前, 基片使用無水乙醇和丙酮進(jìn)行超聲清洗各15 min, 吹干后放入真空室。待真空室的本底真空度降至10^-3Pa數(shù)量級, 首先利用氬離子轟擊基片表面, 氬氣流量為20 ml/min( 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) , 引出束流為20 mA, 進(jìn)行樣片表面處理約15 min。基片利用氬離子預(yù)先濺射是為了去除硅片表面的氧化層, 增加薄膜與基體的附著力。氬離子轟擊結(jié)束后, 開始沉積ta-C 薄膜, 制備的ta-C 薄膜樣品分為兩組。石墨靶電弧放電電流90 A, 基片施加負(fù)偏壓, 其大小分別為200, 500 V。對于每一組樣品, 改變磁過濾器的電流參數(shù)依次為5, 7, 9, 11, 13 A, 并且法拉第筒被用來測量過濾彎管出口處的碳離子電流大小。利用Jobin Yvon Raman光譜儀分析ta-C 膜結(jié)構(gòu), 波長514 nm, 激光輸入功率20 mW, 采樣時間180 s。

　　本文將磁過濾器電流和基片偏壓作為ta-C 薄膜獲得高sp3 鍵結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù), 研究結(jié)果表明, 除了基片偏壓, 磁過濾器電流也是影響ta-C 薄膜sp3鍵含量的重要工藝參數(shù), 磁過濾器電流的增大將會增大薄膜沉積率, 影響沉積粒子的荷質(zhì)比, 減小薄膜sp3 鍵的含量。因此在選定合適的沉積偏壓時, 也應(yīng)當(dāng)盡量選擇較小的磁過濾電流, 減小沉積過程的熱峰效應(yīng), 和提高對碳團(tuán)簇的過濾效率, 以提高薄膜的sp 3 鍵含量。但是較小的磁過濾器電流會影響薄膜的沉積效率, 因此, 在實(shí)際的ta-C 薄膜制備中, 應(yīng)當(dāng)根據(jù)沉積薄膜的實(shí)際需要, 仔細(xì)選擇合適的磁過濾器電流和基片偏壓的大小, 這對ta-C 薄膜的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用具有極其重要的意義。