中频脉冲非平衡磁控溅射技术制备类金刚石膜的结构与性能

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)河南交通职业技术学院 作者:王俊玲

  利用中频脉冲非平衡磁控溅射技术在载玻片上制备了类金刚石(DLC)薄膜,研究了沉积气压对薄膜厚度、微观结构、机械性能和光学性能的影响。厚度测试结果表明,DLC 膜厚度随沉积气压的增加而增加。X 射线光电子能谱测试结果表明,当沉积气压由0.18Pa 增加到1.50Pa 时,DLC 薄膜中sp3 杂化碳含量随沉积气压的增加而减少。纳米压痕和椭偏仪测试结果表明,DLC 膜的纳米硬度、折射率均随沉积气压的增加而减小。采用浅注入模型分析了沉积气压对薄膜生长和键合结构的影响。以上结果表明,沉积气压对DLC 膜的厚度、sp3 杂化碳含量、机械与光学性能具有较大的影响。

  类金刚石(diamond-like carbon 简称DLC)薄膜是含有金刚石结构(sp3 键)的亚稳态、无定型、非晶态碳材料,该膜具有与金刚石膜相近的综合性能,如高硬度、低摩擦系数、高热导率、低介电常数、宽带隙、高红外透过率、良好的化学稳定性及生物相容性等,并且与金刚石膜相比具有沉积温度低、性能价格比高、膜面粗糙度小、易于制备等优点,因此在机械、电子、光学、医学、耐腐蚀材料等领域具有很好的应用前景。

  自Aisenberg 和Chabot 于1971年首先在室温下采用离子束沉积方法(Ion beam deposition 即IBD)制备出DLC 膜后,已发展出多种制备DLC 膜的方法,如磁控溅射法、离子束辅助沉积法、真空阴极电弧沉积法、脉冲激光沉积法、射频辉光放电化学气相沉积法、电子回旋共振化学气相沉积法、等离子体辅助化学气相沉积法等物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)法。

  磁控溅射是制备DLC 膜最常用的方法之一,具有膜层均匀、致密性好、工艺重复性好、沉积速率高、基体温度低等显著特点。近年发展起来的中频脉冲非平衡磁控溅射技术结合了中频脉冲溅射和非平衡磁控溅射的优点,成为公认的制备包括绝缘材料在内的多种功能薄膜材料的首选工艺,并在实验室和工业上得到了广泛应用。该方法除了具有一般磁控溅射沉积所具有优点外,还能有效消除放电打弧现象和靶中毒现象,有效改善薄膜的结构、质量和性质,提高薄膜与基体之间的附着力。

  DLC 膜中的碳原子之间以共价键的方式结合,化学键主要是sp2杂化键和sp3杂化键,这两者含量的多少直接影响DLC 膜的性能:sp3杂化键含量越高,薄膜的性质越接近于金刚石膜,表现为膜层致密,硬度高、耐化学腐蚀性好、带隙宽、电阻率高等。沉积方法、沉积参数不同,所制备的DLC 膜中的sp3杂化键的含量不同,薄膜的性能就会有较大的差异。本文采用中频脉冲磁控溅射技术制备了类金刚石薄膜,研究了沉积气压对薄膜厚度、化学键结构、机械性能和光学性能的影响。

  1、实验

  采用中频脉冲非平衡磁控溅射技术,以石墨(纯度为99.99%) 为靶材, 以氩气(纯度为99.99%)为溅射气体,在载玻片上沉积类金刚石(DLC)膜。基片放入真空室前,先将其分别用丙酮、无水酒精、去离子水各超声清洗15min,然后用红外灯烘干放置于真空室。采用分子泵抽真空,在真空度达到5.0×10-4 Pa 后,进氩气使真空度变为2.0 Pa,用脉冲偏压电源在基体上加负偏压700V 进行溅射清洗15min (占空比为80%),进一步除去吸附在基体表层的杂质、油污分子,从而大幅度改善界面状态。薄膜沉积过程中,靶- 基距为90 mm,中频溅射电源功率为290 W,频率为40 kHz,占空比为80%,脉冲偏压电源固定在100V,频率为40 kHz,占空比为80%,基体温度为室温,沉积气压分别为0.18 Pa、0.36 a、0.72Pa 和1.50 Pa。

  采用Veeco Dektak 150 台阶仪对所制备的DLC膜的厚度进行测量。KRATOS-XSAM800 表面分析系统用于样品的X 射线光电子能谱(XPS)的分析,采用13 kV×19 mA 的Al Ka X 射线(1486.6 eV) 源,分析室真空度高于1×10-6 Pa。纳米硬度测试在MTS 纳米压痕仪(xp 型) 上完成,纳米压痕时对每个样品分别取3 个点进行测试,然后取把3个点的纳米硬度取平均值即为每个样品的平均纳米硬度。薄膜光学常数的测定在美国J.A.Woollam 公司生产的M-2000DI 光谱型椭偏仪上进行,测试波长范围为600-1700nm。

  3、结论

  以氩气为辅助气体,采用中频脉冲非平衡磁控溅射技术制备了类金刚石薄膜,研究了沉积气压对DLC 膜微观结构和机械性能的影响:

  (1)DLC 膜的厚度随沉积气压的增加而增大。

  (2)XPS 的测试结果显示,当沉积气压由0.18 增加到1.50Pa 时,DLC 膜中的sp3 杂化键含量随沉积气压的的增大而减少。沉积气压对DLC膜中sp3 杂化键含量的影响可以采用“浅注入模型”解释。

  (3)纳米压痕测试结果显示,当沉积气压由0.18Pa 增加到1.50Pa 时,DLC 膜中的纳米硬度、弹性恢复均随沉积气压的增加而减少。

  (4)椭偏仪测试结果表明,在相同的测试波长下,DLC 膜的折射率随沉积气压的增加而减小,这与薄膜的致密度和sp3 杂化键含量有关。

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