基體偏壓對高功率脈沖磁控濺射制備類石墨碳膜的影響研究

2014-01-02 張學謙天津師范大學

　　采用高功率脈沖磁控濺射技術于Si基底表面制備了類石墨碳膜，研究了基體偏壓對薄膜沉積速率、微觀結構、力學性能及摩擦學性能的影響規律。結果表明:隨著基底偏壓的增高，GLC薄膜sp2含量呈先減小后增加的趨勢，在-100V時達到最小值；其表面粗糙度逐漸降低；硬度和內應力逐漸增大；在基體偏壓為-300V時薄膜的摩擦性能最好，高sp2含量、高硬度和低表面粗糙度共同決定了GLC薄膜優異的摩擦學性能。

　　隨著新型納米復合薄膜的不斷開發和研究，固體潤滑薄膜有著非常廣闊的應用前景。在眾多固體潤滑材料中，非晶碳膜具有高硬度、低摩擦系數和很高的耐磨性等優點，作為一類新型的減摩潤滑材料而備受關注。近年來以碳-碳sp2鍵為主的類石墨碳(graphite-likecarbon，GLC)膜克服了傳統類金剛石DLC(diamond-likecarbon，DLC)膜與鐵基材料發生觸媒反應而受到重視。目前，GLC薄膜主要是通過直流磁控濺射和非平衡磁控濺射制備，但傳統的磁控濺射技術濺射的靶材大多以原子形態存在，離子能量較低，可控性較差，通過外部場很難控制加速，沉積薄膜的質量和性能難有明顯優化。高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)技術是近年來研發出的一種新型物理氣相沉積方法，其特點是利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來產生高離化率，峰值功率和等離子體密度是普通直流磁控濺射的1000倍，濺射銅靶離化率可高達70%以上，且束流不含大顆粒，近年來已引起研究者的廣泛關注。

　　在非晶碳膜的沉積過程中，沉積離子的能量對薄膜結構和性能有很大的影響。可以通過改變沉積過程中離子的能量，調控非晶碳膜中的sp2、sp3含量，實現硬度、彈性模量和摩擦學性能優化的可控制備。在非晶碳膜沉積過程中，離子到達基體的能量可表示為

Ei=e(Vp-Vb)+E0(1)

　　其中，Ei表示離子到達基體時的能量，Vp為等離子體電勢，Vb為基體偏壓，E0為離子在等離子體中的起始能量。由式(1)可知，改變基體負偏壓可以有效地改變離子到達基體的能量，偏壓越大，離子到達基體時的能量越大。因此，本文采用HIPIMS技術制備GLC薄膜，利用HIPIMS高的離化率，通過改變偏壓有效控制沉積離子的能量，研究不同基體偏壓對HIPIMS制備GLC薄膜結構和性能的影響規律。

1、實驗

　　1.1、薄膜制備

　　基體材料P(100)型單晶Si片用于結構表征和性能測試，靶材選用99.95%高純度石墨靶。實驗用高功率脈沖磁控濺射電源為哈爾濱工業大學，進焊接與連接國家重點實驗室生產的高功率復合脈沖磁控濺射電源。圖1為電源電路結構圖，采用直流和脈沖電源并聯疊加的形式，直流電源給磁控靶提供恒定的直流電流，脈沖電源通過將直流電壓斬波成脈沖電壓向靶材提供脈沖電流。

電源電路結構圖

圖1 電源電路結構圖

　　沉積GLC薄膜前，首先將基體依次放入丙酮和酒精中超聲波清洗各15min，冷風吹干后裝入真空腔樣品架，將基體待鍍面轉至正對濺射靶材適當位置待鍍。當真空室真空度抽至4.5×10^-3 Pa以下時，通入100ml/min(標準狀態)氬氣，保持基體偏壓-500V，利用輝光放電對樣品表面和靶材表面進行輝光刻蝕清洗20min；清洗后通入50ml/min氬氣，并開啟HIPIMS電源，調節并保持脈沖偏壓1000V，頻率50Hz，脈寬65Ls，復合直流110A，沉積GLC薄膜，沉積時對基體施加不同的偏壓，分別為-50，-100，-200和-300V，沉積時間為2h，整個沉積過程中，基體以一定的自轉速率旋轉，保持薄膜的均勻性。

　　1.2、薄膜表征

　　采用美國Kla-TencorAlpha-StepIQ臺階儀對GLC薄膜的厚度進行測量，并通過計算得到薄膜的沉積速率；利用日本島津生產的AXISULTRADLD型號的X射線光電子能譜(XPS)(分辨率為0.48eV的單色Al(mono)KA射線源，入射能量為160eV，每個樣品測試前用氬離子槍濺射清洗120s)檢測薄膜中存在的鍵位；采用英國RENISHAWinVia型號激光共聚焦拉曼(Raman)光譜儀(激發633nm氬離子激光束，測量范圍800~2000cm-1)對薄膜C鍵進行檢測；使用美國Veeco3100型號原子力顯微鏡(AFM)輕敲模式對薄膜表面形貌和粗糙度進行測試；采用美國MTS公司生產的NANOG200型號納米壓痕儀，運用連續剛度法測試薄膜硬度，壓痕深度分辨率小于0.01nm，壓入6個點，取壓入深度為薄膜厚度的十分之一處的結果為薄膜的硬度值；GLC薄膜的殘余應力采用韓國J&L公司的JLCST022殘余應力儀進行測量，其應力測試范圍0.001~100GPa，分辨率0.001GPa；采用韓國J&L公司的JLTB-02型球盤式摩擦磨損試驗機測試不同沉積參數下制備的GLC薄膜在室溫大氣環境下的摩擦學性能，摩擦測試參數為:載荷3N、旋轉半徑3mm、線速度100mm/s、行程200m，對磨球是直徑為6mm、硬度不小于60HRC的SUJ2/GCr15軸承鋼球；采用日本FEIQuanta250FEG掃描電子顯微鏡(SEM)對薄膜磨痕和磨球磨斑形貌進行觀察。