一种磁控溅射低温制备dlc薄膜的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于硬质薄膜领域。特别是设及一种低溫环境下等离子体辅助磁控瓣射法 制备DLC薄膜，利用等离子体辅助李生祀中频或脉冲直流磁控瓣射技术制备了 DLC硬质薄 膜的新工艺。
【背景技术】
[0002] DLC又被称作（类金刚石）薄膜作为一种多功能材料，它具有高硬度、低电阻、低摩 擦系数、良好的导热性、光透过性等性能，被誉为21世纪最具影响战略新型材料之一，在机 械、光学、电子、航天等多个领域有着广泛的应用。常见的制备DLC薄膜的方法有很多，传统 磁控瓣射是锻制DLC薄膜常用的方法。它的优点在于磁控瓣射法可W获得表面粗糖度低， 均匀性良好的DLC薄膜。但是传统的磁控瓣射法也有它的不足之处，磁场约束的高密度等 离子体区只能分布在祀面附近，而整个沉积室内的等离子体密度低。在锻膜过程中由于离 化率低，在保证高的沉积速率的同时很难获得高SP 3键含量的DLC薄膜，而且为了保证化C 薄膜的SP3键相对高的含量，整个沉积过程须保持在恒定100-150°C环境下。运样使得化C 薄膜的锻制条件范围窄，因而给DLC薄膜大规模的工业化生产带来不可避免的麻烦。从而 制约了传统磁控瓣射锻膜技术的生产效率和应用范围。本发明采用在沉积室内引入等离子 体区域的方法，提高锻膜时工作气体的离化率，基于此种方法对传统磁控瓣射技术的进行 改进，采用中频或脉冲直流电源瓣射石墨祀，并控制工作气体压强、溫度、时间、瓣射功率等 工艺条件，在衬底上沉积DLC薄膜。使用本方法可W在低溫环境下制备性能良好的DLC薄 膜，提高SP3键含量。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是，提供一种DLC硬质涂层的制备方法。该方法采用等离子体辅助 中频或脉冲直流反应磁控瓣射技术，沉积溫度为低溫环境，所制备的DLC硬质薄膜性能良 好，SP 3键含量高，即SP ^Zsp2比值大。
[0004] 本发明首先采用李生祀脉冲直流磁控瓣射方法，通过在沉积室内引入一等离子体 区，提高真空室内等离子体密度，增加锻膜时气体离化率，当工件经过瓣射石墨祀附近等离 子体区域沉积了 DLC薄膜之后，进入等离子体源产生的等离子体区进一步生成sp3含量高 的类金刚石薄膜。并且由工艺要求，沉积溫度可W恒定在室溫或是低溫状态。 阳0化]用于制备DLC硬质涂层的磁控瓣射阴极采用中频电源或脉冲直流电源，瓣射祀材 为石墨，制备薄膜时，控制工作气体（氣气）压强在0. lPa-3Pa;溫度恒定在室溫-200°C的 某一值；瓣射电源电流在1A-30A等条件，在衬底上沉积DLC薄膜。
[0006] 本发明优点： 阳007] 1)与传统磁控瓣射法制备DLC硬质薄膜相比，本技术制备的薄膜结晶度、致密性 及硬度得到提高，表面粗糖度小，薄膜与衬底有较高的结合力，很难产生局部脱落
[0008] 2)与传统磁控瓣射法制备DLC硬质薄膜相比，本发明方法增大了真空室内等离子 体区，提高了真空室内气体离化率，使用DLC薄膜反应更充分。利于沉积高SP3键含量的化C 薄膜。
[0009] 扣整个沉积过程中，真空室维持在：室溫~100°C，为低溫环境，在不破坏高速钢 等工件的前提下沉积DLC薄膜，运样就增加了待锻工件材料的种类。利于DLC薄膜在多领 域的应用。
【附图说明】
[0010] 图1新型等离子体辅助磁控瓣射结构俯视示意图1 ;1、李生祀，2、工件，3、公转盘 公转轴，4、工件盘，5、RF等离子体产生源，6真空室壁；
[0011] 图2不同等离子体功率下
[0012] 制备薄膜拉曼光谱曲线。
【具体实施方式】
[0013] 使用设备：
[0014] 薄膜沉积装置为ACSP 70/73型多功能离子锻膜试验机。实验设备含有：一台北科 仪机械累和一台日本大阪真空的分子累构成真空系统；真空室内有一个公转圆盘，圆盘上 有若干齿轮链带的自转工件架，公转与自转比为1:20,每个工件架高度约为510mm ;真空室 内含有若干加热管，使真空室内受热均匀，保证真空室和衬底溫度误差< 0. 5°C ;-台IOKW 脉冲直流电源和一台IOKW双极性脉冲偏压电源，瓣射电源频率为40曲Z，瓣射过程中两个 祀交替的作为阴极和阳极，在负半周期内出现祀材瓣射，正半周期内中和祀面的积累电荷， 有效地防止了祀材中毒和阳极消失现象；用作等离子体产生源的磁控瓣射阴极面积仍为 563mm(长）X 106mm(宽），表面祀材采用北京有色金属研究院生产的氧化侣陶瓷祀，采用常 州瑞思杰尔电子科技有限公司的RSG3500型射频电源与PSG-IVA型射频自动匹配器，射频 电源最大功率为3. 5kw ;
[0015] 新型等离子体辅助磁控瓣射结构俯视示意图1 ;1、李生祀，2、工件，3、公转盘公转 轴，4、工件盘，5、RF等离子体产生源，6真空室壁；
[0016] 整个真空室为圆筒形结构。
[0017] 公转盘由上下圆盘及若干支撑杆组成，公转轴通过上下圆盘圆屯、，公转盘绕公转 轴匀速旋转，公转转速在5-30;r/min范围内可调。公转盘旋转方向按等离子体源与瓣射革己 相对位置设定或按锻膜工艺要求设定。
[0018] 李生祀电源采用脉冲直流电源，李生祀形状为矩形或圆柱形，李生祀磁场采用非 平衡磁场，祀背面采用循环水冷结构。李生祀材料均为石墨，瓣射过程中两个石墨祀交替互 为阴极和阳极，每个单祀在负半周期时，工作状态为瓣射祀材，正半周期时，工作状态为中 和祀面的积累电荷。
[0019] 工件架为圆柱形或圆筒形，支撑杆均匀固定在公转盘上，且必须保证所有工件架 上祀基距是相同的，工件架与公转盘之间需用陶瓷垫片绝缘。根据锻膜工艺的不同，在真空 室空间允许的情况下，工件架数量可W按要求尽可能多。工件架直径、祀基距可W按锻膜工 艺进行调整。
[0020] 电机与公转盘由垫板传动，工件架和公转盘之间有齿轮传动，电机带动公转盘，公 转盘带动工件架自转。工件架的自转速度由公转速度和它们间的转速比决定公转与自转比 为 1:20。
[0021] 等离子体发生源采用RSG3500型射频电源与PSG-IVA型射频自动匹配器配套使 用，通过射频自动匹配器，反射功率可W控制到Ow;射频电源功率输入到真空室内一非平 衡磁场磁控瓣射阴极（或称之为非平衡磁场磁控瓣射祀），非平衡磁场磁控瓣射祀材料需 要采用难瓣射祀材，例如氧化侣、氧化铁等材料，射频电源功率控制在1000 W范围内，用W 保证祀材无任何瓣射，射频电源功率是影响DLC薄膜质量的重要因素。
[0022] 李生祀与等离子体发生源固定在真空室壁上，两者距离小于1/2真空室圆周长， 且二者位置可互换，运与公转盘旋转方向直接相关。每个瓣射李生祀的前表面装有气动挡 板，每次锻膜前，先只通入工作气体，进行祀面清洗，祀面干净之后，再通入反应气体，待瓣 射过程W及公转盘转速稳定后，开启挡板，进行薄膜沉积，完成DLC薄膜的制备。
[0023] 需要说明的是：非平衡磁场李生祀或非平衡磁场单祀都可W用做石墨祀。
[0024] 具体的工艺参数： 阳0巧]离子源功率0~3. 5kw调节；石墨祀电流：1~15A调节；基底偏压：-80~-200V ; 祀基距：120mm ;氣气流量：200~300sccm ;本底真空度：5X 10 3Pa至5X 10 4Pa之间；工作 气压：0. 1~1化调节。
[0026] 实施例1:
[0027] 将尺寸为40 X 40 X 5mm的钢片（p20的娃片和脚玻璃经过清洗干燥后放入设备真 空室，抽真空至< 3Pa，开高阀、加热管，待溫度稳定在150°C，真空抽至5X10中日，充氣气， 用质量流量计控制氣气进气流量，使其稳定在0. 4Pa，开启公转盘，转速稳定在5r/min，无 离子源辅助，石墨祀电源电流至3A，使石墨祀起辉，逐步增加负偏压-100V。打开挡板，开始 计时，通过控制沉积时间制备厚度不同的DLC硬质薄膜。
[0028] 所制备的薄膜利用Renishaw(雷尼绍）拉曼光谱仪进行拉曼光谱测试，测试结果 如图2所示a曲线，从图中可W看出，在无等离子体辅助时DLC薄膜SP3键含量较低。
[0029] 实施例2:
[0030] 将尺寸为40 X 40 X 5mm的钢片、([)20的娃片和脚玻璃经过清洗干燥后放入设备真 空室，抽真空至< 3Pa，开高阀、加热管，待溫度稳定在150°C，真空抽至5 X 10中日，充氣气， 用质量流量计控制氣气进气流量，使其稳定在0. 4Pa，开启公转盘，转速稳定在Sr/min，逐 步增加离子源功率至1000W，石墨祀电源电流至3A，使石墨祀起辉，逐步增加负偏压-100V。 打开挡板，开始计时，通过控制沉积时间制备厚度不同的DLC硬质薄膜。
[0031] 所制备的薄膜利用Renishaw曼光谱仪进行拉曼光谱测试，测试结果如图2所示a 曲线，从图中可W看出，在无等离子体辅助时DLC薄膜SP3键含量较高。
[0032] 本发明通过对传统磁控瓣射技术的改进，在沉积室内引入一等离子体区域，采用 中频脉冲直流或直流瓣射瓣射石墨祀，并控制工作气体压强、溫度、时间、瓣射功率等工艺 条件，在衬底上沉积DLC薄膜。使用本方法可W在低溫环境下性能良好的DLC薄膜，薄膜的 SP3键含量得到提高，薄膜与衬底有较高的结合力，很难产生局部脱落。本发明可W为硬质 薄膜的实验研究或工业生产提供样品。
【主权项】
1. 一种磁控溅射低温制备DLC薄膜的方法，工件材料采用导体或半导体材料；沉积设 备采用磁控溅射镀膜设备，使用孪生靶溅射，溅射过程中两个靶交替的作为阴极和阳极； 镀膜装置中，薄膜沉积真空室内单独设置有一辅助的非平衡磁场磁控溅射阴极，非平 衡磁场磁控溅射阴极的靶材表面与工件的沉积面相对设置，工件的沉积面与孪生靶之间保 持固定的靶基距，非平衡磁场磁控溅射阴极通过导线经射频自动匹配器与射频电源相连； 在薄膜沉积过程中，非平衡磁场磁控溅射阴极作为等离子体发生源，在靶材表面与工 件镀膜面间提供一等离子体区域，沉积在工件上的薄膜快速进入等离子体反应区，在等离 子体的作用下，DLC薄膜进一步碳化，得到高sp 3键含量的DLC薄膜；同时在反应区内薄膜 在等离子体的轰击作用下，使得所制备的薄膜变得致密表面光滑，薄膜与工件的结合力更 加牢固。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：溅射靶所采用的溅射电源是中频电源或脉 冲直流电源。3. 如权利要求1所述的方法，为等离子体辅助反应磁控溅射低温制备DLC薄膜方法，其 特征在于：制备过程包括以下步骤： (1) DLC薄膜的溅射工件 将清洗过的工件放入真空室，按照要求设定好磁控溅射镀膜设备所需的工艺参数，充 入气体，开靶电源，辉光之后开启挡板，开始DLC薄膜的溅射； (2) DLC薄膜的进一步反应 开启镀膜装置中的非平衡磁场磁控溅射阴极，于镀膜装置中形成等离子体区，工件的 公转运行轨迹通过等离子体区；当工件旋转到引入的等离子体区域内，工件上的DLC薄膜 进一步发生反应，生成sp3键的含量较高的DLC薄膜。4. 如权利要求1或3所述的方法，其特征在于：DLC薄膜制备低温环境可以为室温到 200。。。5. 如权利要求1或3所述的方法，其特征在于：磁控溅射低温制备DLC薄膜所采用的 离子源是阳极层线性离子源、射频离子源、霍尔离子源或考夫曼离子源。6. 如权利要求1或3所述的方法，其特征在于：工件周期性旋转过溅射靶后，进入离子 源产生的等离子体区，进一步进行碳化，提高了 sp3键的含量，增加 sp3/sp2比值。7. 如权利要求1或3所述的方法，其特征在于：非平衡磁场磁控溅射靶材料需 要采用难溅射靶材，无论采用何种材料，最终要将射频离子源功率控制在一定范围内 (100-1000W)，以确保在DLC薄膜沉积过程中，用作等离子体发生源的溅射靶材中无任何材 料被溅射出来，以免造成薄膜污染，即射频电源加到靶材的最大功率要小于靶材料被溅出 的临界功率。8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于：祀材料为A1 203或TiO 2等，射频电源功率控 制在100-1000W范围内，用以保证靶材无任何溅射。9. 如权利要求1或3所述的方法，其特征在于：在沉积室内引入一等离子体区域，采用 中频电源或脉冲直流电源溅射石墨靶，控制工作气体（氩气）压强在〇. lPa_3Pa ;温度在室 温-200°C ;溅射电源电流在1A-30A等条件，在衬底上沉积DLC薄膜。10. 如权利要求1或3所述的方法，其特征在于：等离子体源亦可作为等离子体发生 源，用于对工件表面进行清洗；导体为白钢或铜等，半导体为硅。
【专利摘要】本发明涉及一种磁控溅射制备DLC薄膜的方法，采用在沉积室内引入一等离子体区域的方法，提高镀膜时工作气体的离化率，基于此种方法对传统磁控溅射技术的进行改进，采用中频或脉冲直流电源溅射石墨靶，并控制工作气体压强、温度、时间、溅射功率等工艺条件，在衬底上沉积DLC薄膜。使用本方法可以在低温环境下制备性能良好的DLC薄膜，提高SP3键含量。本发明可以为硬质薄膜的实验研究或工业生产提供样品。
【IPC分类】C23C14/06, C23C14/35
【公开号】CN105714256
【申请号】CN201410742990
【发明人】李刚, 吕起鹏, 王 锋, 公发全, 邓淞文, 孙龙, 金玉奇
【申请人】中国科学院大连化学物理研究所