磁過濾陰極電弧技術沉積高sp³鍵含量四面體非晶碳薄膜的工藝優化研究

　　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制備高sp3 鍵ta-C 薄膜優化工藝條件。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 團簇在逐漸增加。真空技術網(http://smsksx.com/)經過調研發現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聯. 因此, 基片偏壓與磁過濾器電流是ta-C 薄膜制備中需要優化的工藝條件。優化和選擇合適的基片偏壓與磁過濾器電流對ta-C 薄膜的大規模工業化生產應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,這使其具有很多優異的性能, 例如具有極高的硬度和優異的減摩抗磨性能, 適于作為切削工具, 活塞,齒輪, 自動化構件等的耐磨損保護涂層; 具有極高的熱導率和優良的抗熱沖擊性能, 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( 約為120 eV) 。一般來說, 入射離子的能量通過襯底偏壓進行調節, 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。但是由于ta-C 薄膜的沉積過程十分復雜, 基片偏壓并不是決定薄膜sp3 鍵含量的唯一因素。這是因為ta-C 薄膜中sp3鍵結構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的含碳基團有關, 碳離子及碳基團是通過磁過濾電流產生的磁場被選擇和輸運, 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鍵結構的工藝參數, 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制備具有高sp3鍵含量ta-C 薄膜的工藝及其優化條件, 這對工業化制備高質量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。試驗前, 基片使用無水乙醇和丙酮進行超聲清洗各15 min, 吹干后放入真空室。待真空室的本底真空度降至10^-3Pa數量級, 首先利用氬離子轟擊基片表面, 氬氣流量為20 ml/min( 標準狀態) , 引出束流為20 mA, 進行樣片表面處理約15 min。基片利用氬離子預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 膜結構, 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 鍵結構的工藝參數, 研究結果表明, 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, 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, 也應當盡量選擇較小的磁過濾電流, 減小沉積過程的熱峰效應, 和提高對碳團簇的過濾效率, 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, 在實際的ta-C 薄膜制備中, 應當根據沉積薄膜的實際需要, 仔細選擇合適的磁過濾器電流和基片偏壓的大小, 這對ta-C 薄膜的大規模工業化生產應用具有極其重要的意義。