一種磁控濺射低溫制備dlc薄膜的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于硬質薄膜領域。特別是設及一種低溫環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制備了 DLC硬質薄 膜的新工藝。
【背景技術】
[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、良好的導熱性、光透過性等性能，被譽為21世紀最具影響戰略新型材料之一，在機 械、光學、電子、航天等多個領域有著廣泛的應用。常見的制備DLC薄膜的方法有很多，傳統 磁控瓣射是鍛制DLC薄膜常用的方法。它的優點在于磁控瓣射法可W獲得表面粗糖度低， 均勻性良好的DLC薄膜。但是傳統的磁控瓣射法也有它的不足之處，磁場約束的高密度等 離子體區只能分布在祀面附近，而整個沉積室內的等離子體密度低。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鍵相對高的含量，整個沉積過程須保持在恒定100-150°C環境下。運樣使得化C 薄膜的鍛制條件范圍窄，因而給DLC薄膜大規模的工業化生產帶來不可避免的麻煩。從而 制約了傳統磁控瓣射鍛膜技術的生產效率和應用范圍。本發明采用在沉積室內引入等離子 體區域的方法，提高鍛膜時工作氣體的離化率，基于此種方法對傳統磁控瓣射技術的進行 改進，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、溫度、時間、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在低溫環境下制備性能良好的DLC薄 膜，提高SP3鍵含量。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的是，提供一種DLC硬質涂層的制備方法。該方法采用等離子體輔助 中頻或脈沖直流反應磁控瓣射技術，沉積溫度為低溫環境，所制備的DLC硬質薄膜性能良 好，SP 3鍵含量高，即SP ^Zsp2比值大。
[0004] 本發明首先采用李生祀脈沖直流磁控瓣射方法，通過在沉積室內引入一等離子體 區，提高真空室內等離子體密度，增加鍛膜時氣體離化率，當工件經過瓣射石墨祀附近等離 子體區域沉積了 DLC薄膜之后，進入等離子體源產生的等離子體區進一步生成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。 陽0化]用于制備DLC硬質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，控制工作氣體（氣氣）壓強在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] 本發明優點： 陽007] 1)與傳統磁控瓣射法制備DLC硬質薄膜相比，本技術制備的薄膜結晶度、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合力，很難產生局部脫落
[0008] 2)與傳統磁控瓣射法制備DLC硬質薄膜相比，本發明方法增大了真空室內等離子 體區，提高了真空室內氣體離化率，使用DLC薄膜反應更充分。利于沉積高SP3鍵含量的化C 薄膜。
[0009] 扣整個沉積過程中，真空室維持在：室溫~100°C，為低溫環境，在不破壞高速鋼 等工件的前提下沉積DLC薄膜，運樣就增加了待鍛工件材料的種類。利于DLC薄膜在多領 域的應用。
【附圖說明】
[0010] 圖1新型等離子體輔助磁控瓣射結構俯視示意圖1 ;1、李生祀，2、工件，3、公轉盤 公轉軸，4、工件盤，5、RF等離子體產生源，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。
【具體實施方式】
[0013] 使用設備：
[0014] 薄膜沉積裝置為ACSP 70/73型多功能離子鍛膜試驗機。實驗設備含有：一臺北科 儀機械累和一臺日本大阪真空的分子累構成真空系統；真空室內有一個公轉圓盤，圓盤上 有若干齒輪鏈帶的自轉工件架，公轉與自轉比為1:20,每個工件架高度約為510mm ;真空室 內含有若干加熱管，使真空室內受熱均勻，保證真空室和襯底溫度誤差< 0. 5°C ;-臺IOKW 脈沖直流電源和一臺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 祀交替的作為陰極和陽極，在負半周期內出現祀材瓣射，正半周期內中和祀面的積累電荷， 有效地防止了祀材中毒和陽極消失現象；用作等離子體產生源的磁控瓣射陰極面積仍為 563mm(長）X 106mm(寬），表面祀材采用北京有色金屬研究院生產的氧化侶陶瓷祀，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構俯視示意圖1 ;1、李生祀，2、工件，3、公轉盤公轉 軸，4、工件盤，5、RF等離子體產生源，6真空室壁；
[0016] 整個真空室為圓筒形結構。
[0017] 公轉盤由上下圓盤及若干支撐桿組成，公轉軸通過上下圓盤圓屯、，公轉盤繞公轉 軸勻速旋轉，公轉轉速在5-30;r/min范圍內可調。公轉盤旋轉方向按等離子體源與瓣射革己 相對位置設定或按鍛膜工藝要求設定。
[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，李生祀磁場采用非 平衡磁場，祀背面采用循環水冷結構。李生祀材料均為石墨，瓣射過程中兩個石墨祀交替互 為陰極和陽極，每個單祀在負半周期時，工作狀態為瓣射祀材，正半周期時，工作狀態為中 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，工件架與公轉盤之間需用陶瓷墊片絕緣。根據鍛膜工藝的不同，在真空 室空間允許的情況下，工件架數量可W按要求盡可能多。工件架直徑、祀基距可W按鍛膜工 藝進行調整。
[0020] 電機與公轉盤由墊板傳動，工件架和公轉盤之間有齒輪傳動，電機帶動公轉盤，公 轉盤帶動工件架自轉。工件架的自轉速度由公轉速度和它們間的轉速比決定公轉與自轉比 為 1:20。
[0021] 等離子體發生源采用RSG3500型射頻電源與PSG-IVA型射頻自動匹配器配套使 用，通過射頻自動匹配器，反射功率可W控制到Ow;射頻電源功率輸入到真空室內一非平 衡磁場磁控瓣射陰極（或稱之為非平衡磁場磁控瓣射祀），非平衡磁場磁控瓣射祀材料需 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，用W 保證祀材無任何瓣射，射頻電源功率是影響DLC薄膜質量的重要因素。
[0022] 李生祀與等離子體發生源固定在真空室壁上，兩者距離小于1/2真空室圓周長， 且二者位置可互換，運與公轉盤旋轉方向直接相關。每個瓣射李生祀的前表面裝有氣動擋 板，每次鍛膜前，先只通入工作氣體，進行祀面清洗，祀面干凈之后，再通入反應氣體，待瓣 射過程W及公轉盤轉速穩定后，開啟擋板，進行薄膜沉積，完成DLC薄膜的制備。
[0023] 需要說明的是：非平衡磁場李生祀或非平衡磁場單祀都可W用做石墨祀。
[0024] 具體的工藝參數： 陽0巧]離子源功率0~3. 5kw調節；石墨祀電流：1~15A調節；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化調節。
[0026] 實施例1:
[0027] 將尺寸為40 X 40 X 5mm的鋼片（p20的娃片和腳玻璃經過清洗干燥后放入設備真 空室，抽真空至< 3Pa，開高閥、加熱管，待溫度穩定在150°C，真空抽至5X10中日，充氣氣， 用質量流量計控制氣氣進氣流量，使其穩定在0. 4Pa，開啟公轉盤，轉速穩定在5r/min，無 離子源輔助，石墨祀電源電流至3A，使石墨祀起輝，逐步增加負偏壓-100V。打開擋板，開始 計時，通過控制沉積時間制備厚度不同的DLC硬質薄膜。
[0028] 所制備的薄膜利用Renishaw(雷尼紹）拉曼光譜儀進行拉曼光譜測試，測試結果 如圖2所示a曲線，從圖中可W看出，在無等離子體輔助時DLC薄膜SP3鍵含量較低。
[0029] 實施例2:
[0030] 將尺寸為40 X 40 X 5mm的鋼片、([)20的娃片和腳玻璃經過清洗干燥后放入設備真 空室，抽真空至< 3Pa，開高閥、加熱管，待溫度穩定在150°C，真空抽至5 X 10中日，充氣氣， 用質量流量計控制氣氣進氣流量，使其穩定在0. 4Pa，開啟公轉盤，轉速穩定在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，逐步增加負偏壓-100V。 打開擋板，開始計時，通過控制沉積時間制備厚度不同的DLC硬質薄膜。
[0031] 所制備的薄膜利用Renishaw曼光譜儀進行拉曼光譜測試，測試結果如圖2所示a 曲線，從圖中可W看出，在無等離子體輔助時DLC薄膜SP3鍵含量較高。
[0032] 本發明通過對傳統磁控瓣射技術的改進，在沉積室內引入一等離子體區域，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、溫度、時間、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合力，很難產生局部脫落。本發明可W為硬質 薄膜的實驗研究或工業生產提供樣品。
【主權項】
1. 一種磁控濺射低溫制備DLC薄膜的方法，工件材料采用導體或半導體材料；沉積設 備采用磁控濺射鍍膜設備，使用孿生靶濺射，濺射過程中兩個靶交替的作為陰極和陽極； 鍍膜裝置中，薄膜沉積真空室內單獨設置有一輔助的非平衡磁場磁控濺射陰極，非平 衡磁場磁控濺射陰極的靶材表面與工件的沉積面相對設置，工件的沉積面與孿生靶之間保 持固定的靶基距，非平衡磁場磁控濺射陰極通過導線經射頻自動匹配器與射頻電源相連； 在薄膜沉積過程中，非平衡磁場磁控濺射陰極作為等離子體發生源，在靶材表面與工 件鍍膜面間提供一等離子體區域，沉積在工件上的薄膜快速進入等離子體反應區，在等離 子體的作用下，DLC薄膜進一步碳化，得到高sp 3鍵含量的DLC薄膜；同時在反應區內薄膜 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，薄膜與工件的結合力更 加牢固。2. 如權利要求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. 如權利要求1所述的方法，為等離子體輔助反應磁控濺射低溫制備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，按照要求設定好磁控濺射鍍膜設備所需的工藝參數，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薄膜的進一步反應 開啟鍍膜裝置中的非平衡磁場磁控濺射陰極，于鍍膜裝置中形成等離子體區，工件的 公轉運行軌跡通過等離子體區；當工件旋轉到引入的等離子體區域內，工件上的DLC薄膜 進一步發生反應，生成sp3鍵的含量較高的DLC薄膜。4. 如權利要求1或3所述的方法，其特征在于：DLC薄膜制備低溫環境可以為室溫到 200。。。5. 如權利要求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. 如權利要求1或3所述的方法，其特征在于：工件周期性旋轉過濺射靶后，進入離子 源產生的等離子體區，進一步進行碳化，提高了 sp3鍵的含量，增加 sp3/sp2比值。7. 如權利要求1或3所述的方法，其特征在于：非平衡磁場磁控濺射靶材料需 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 (100-1000W)，以確保在DLC薄膜沉積過程中，用作等離子體發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，用以保證靶材無任何濺射。9. 如權利要求1或3所述的方法，其特征在于：在沉積室內引入一等離子體區域，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生 源，用于對工件表面進行清洗；導體為白鋼或銅等，半導體為硅。
【專利摘要】本發明涉及一種磁控濺射制備DLC薄膜的方法，采用在沉積室內引入一等離子體區域的方法，提高鍍膜時工作氣體的離化率，基于此種方法對傳統磁控濺射技術的進行改進，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、溫度、時間、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境下制備性能良好的DLC薄膜，提高SP3鍵含量。本發明可以為硬質薄膜的實驗研究或工業生產提供樣品。
【IPC分類】C23C14/06, C23C14/35
【公開號】CN105714256
【申請號】CN201410742990
【發明人】李剛, 呂起鵬, 王 鋒, 公發全, 鄧淞文, 孫龍, 金玉奇
【申請人】中國科學院大連化學物理研究所