[发明专利]一种快速沉积类金刚石薄膜的装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及类金刚石薄膜的制备装置，特别涉及高效、高质量类金刚石薄膜的制备装置。

 

背景技术

类金刚石薄膜（Diamond-like Carbon films，简称DLC薄膜）是含有sp²和sp³键的非晶态碳膜的总称，兼具金刚石和石墨的双重性能，包括：高硬度和弹性模量、低摩擦系数、高耐磨性、高导热率、高电阻率、良好的光学透过性、化学惰性以及良好的生物相容性等，在机械、电子、光学、医学等领域具有广阔的应用前景。

通过调整sp²和sp³键的相对含量可以使其性能得到相对应的调节,由于DLC薄膜性能优异并可智能化调制,因而,对其应用推广的研究方兴未艾。自七十年代实现了DLC薄膜的人工合成以来，对类金刚石的制备和研究一直都在进行中，并且取得具有重大意义的研究成果。例如，DLC薄膜与基体结合力的显著提升；DLC薄膜热稳定性提高；DLC薄膜中内应力的降低等。对于工业界来说，如何高效、低价、大面积制备类金刚石薄膜是他们更为关心的问题。

制备DLC薄膜现在主要是用各种气相沉积法，根据原理不同，类金刚石膜的制备技术主要可被分为两类：化学气相沉积和物理气相沉积，物理气相沉积法的基础是碳原子的高能沉积，而化学气相沉积法则主要指等离子体辅助的化学气相沉积。

具体的沉积方法主要有以下几种：

离子束沉积方法，其原理是采用氩等离子体溅射石墨靶形成碳离子，并通过电磁场加速使碳离子沉积于基体表面形成类金刚石膜。离子束增强沉积是离子束沉积的改进型，它是在前面沉积碳原子的同时，用另一离子束轰击正在生长中的类金刚石膜，通过这种方法提高了薄膜的沉积速率和致密性，获得的类金刚石膜在综合性能方面有很大的提高。缺点是离子枪的尺寸较小，只能在较小或中等尺寸的基片上沉积薄膜，不适合大量生产。且它所使用的设备较为复杂和昂贵，不适用于需要降低生产成本的民用产品的薄膜涂层。

磁控溅射是目前工业上生产DLC 薄膜的主要技术，其特点是它能够满足工业上大批量生产以及对基体覆盖率的要求，并能够对工艺条件进行很好的控制。磁控溅射可以是直流磁控溅射，也可以是射频磁控溅射。磁控溅射本质上是磁控模式运行的二极溅射。磁控溅射法的基本原理是在阴极上放置以石墨制成的靶材，通常采用数百ev 能量的Ar⁺离子溅射石墨靶的表面，使靶表面的原子被溅射出来。这种被溅射出来的碳原子的平均能量较高，它沉积于欲被保护的表面上，即形成类金刚石膜，该方法沉积类金刚石薄膜的速率较低，致密性差。

脉冲激光沉积，是利用激光束通过聚焦透镜和石英窗口，引入沉积室后投射在旋转的石墨靶上，在高能量密度的激光作用下形成激光等离子体放电，并且产生的碳离子也有很高的能量，在基体上形成sp²键的四配位结构沉积成类金刚石薄膜。这种方法优点是：沉积速率高，可以获得表面光滑、硬度很高以及与金刚石结构十分相似的高sp³键含量的类金刚石薄膜。但该方法也存在薄膜沉积过程耗能高、薄膜沉积面积小的缺点。

阴极电弧沉积法是近年发展起来的一种沉积DLC的方法，其原理是：电弧装置引燃电弧，在电源的维持和磁场的推动下，由碳阴极直接参与放电过程，电弧在靶面游动，电弧所经之处，导致碳原子的大量蒸发，在基体负偏压作用下，沉积到基体上，形成类金刚石薄膜。这种方法的优点是它可以更为有效地调节沉积过程中碳原子的能量，因而可提高类金刚石膜中sp³键的相对量，有利于提高类金刚石涂层的硬度。这种方法的缺点是在碳阴极的放电过程中，常伴随有碳颗粒的大量喷溅，而去除碳颗粒的设备既复杂，又会大幅度地降低薄膜的沉积速率和产品的产量。

等离子体技术从20世纪60年代开始就被广泛应用于薄膜材料的制备。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体产生的活性来促进反应。PECVD过程中电子温度比普通气体分子温度高出10～100倍，而环境温度只为100～300℃，但反应气体在辉光放电等离子体中能受激分解、离解和离化，从而大大提高了参与反应物的活性。PECVD根据等离子体产生的方法不同可分为直流等离子体、射频等离子体和微波等离子体三种。沉积速率一般小于10 nm/min、成膜质量好、针孔少和不易龟裂的优点。