磁过滤阴极电弧技术沉积高sp3键含量四面体非晶碳薄膜的工艺优化研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安电子科技大学技术物理学院 作者:韩亮

磁过滤阴极电弧技术沉积高sp3键含量四面体非晶碳薄膜的工艺优化研究

  通过对不同基片偏压下磁过滤器电流对四面体非晶碳( ta-C) 薄膜sp3键含量影响的研究, 探讨了磁过滤阴极电弧技术制备高sp3 键ta-C 薄膜优化工艺条件。在不同的基片偏压下, 薄膜沉积率随着磁过滤器电流增大而增大。当基片偏压为200 V 时, 磁过滤器电流从5 A 增大至13 A, I D/ I G 从0.18 增加到0.39; 当基片偏压500 V 时, I D/ I G 从1.3 增加到2.0; 证明随着磁过滤器电流的增大, 薄膜中的sp3 键含量在减少, sp2 键及sp2 团簇在逐渐增加。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)经过调研发现研究表明除了基片偏压, ta-C 薄膜sp3键含量与制备工艺中磁过滤电流也具有及其密切的关联. 因此, 基片偏压与磁过滤器电流是ta-C 薄膜制备中需要优化的工艺条件。优化和选择合适的基片偏压与磁过滤器电流对ta-C 薄膜的大规模工业化生产应用具有极其重要的意义。

  四面体非晶碳( ta-C) 膜具有极高的sp3键含量,这使其具有很多优异的性能, 例如具有极高的硬度和优异的减摩抗磨性能, 适于作为切削工具, 活塞,齿轮, 自动化构件等的耐磨损保护涂层; 具有极高的热导率和优良的抗热冲击性能, 可用来制作大功率电子器件的散热层 ; 具有从红外到紫外宽波段范围内极高的透过率, 可用作航天器或其他部件红外窗口的增透保护膜; 具有极高的电阻率和良好的掺杂性能, 可用来制备平板显示器等新型电子器件。

  在磁过滤阴极真空电弧沉积ta-C 薄膜时, ta-C薄膜的sp3键的含量与沉积的碳离子能量有关( 约为120 eV) 。一般来说, 入射离子的能量通过衬底偏压进行调节, 因此基片偏压是ta-C 薄膜沉积中获得高sp3键含量薄膜的重要的工艺参数。但是由于ta-C 薄膜的沉积过程十分复杂, 基片偏压并不是决定薄膜sp3 键含量的唯一因素。这是因为ta-C 薄膜中sp3键结构的形成与薄膜生长过程中碳离子的能量和对薄膜生长有贡献的含碳基团有关, 碳离子及碳基团是通过磁过滤电流产生的磁场被选择和输运, 然后在基片偏压的作用下沉积在基底材料上。

  因此, 本文将磁过滤器电流和基片偏压同时作为ta-C 薄膜获得高sp3键结构的工艺参数, 并且着重研究了磁过滤器电流对ta-C 薄膜的sp3键含量的影响, 探讨磁过滤阴极真空电弧技术制备具有高sp3键含量ta-C 薄膜的工艺及其优化条件, 这对工业化制备高质量ta-C 薄膜具有十分重要的意义和作用。

  利用过滤阴极真空电弧技术制备ta-C 薄膜, 阴极采用纯度为99.99% 的石墨, 磁过滤器采用s 型双弯管, 基片材料为单晶硅单面抛光片。试验前, 基片使用无水乙醇和丙酮进行超声清洗各15 min, 吹干后放入真空室。待真空室的本底真空度降至10-3Pa数量级, 首先利用氩离子轰击基片表面, 氩气流量为20 ml/min( 标准状态) , 引出束流为20 mA, 进行样片表面处理约15 min。基片利用氩离子预先溅射是为了去除硅片表面的氧化层, 增加薄膜与基体的附着力。氩离子轰击结束后, 开始沉积ta-C 薄膜, 制备的ta-C 薄膜样品分为两组。石墨靶电弧放电电流90 A, 基片施加负偏压, 其大小分别为200, 500 V。对于每一组样品, 改变磁过滤器的电流参数依次为5, 7, 9, 11, 13 A, 并且法拉第筒被用来测量过滤弯管出口处的碳离子电流大小。利用Jobin Yvon Raman光谱仪分析ta-C 膜结构, 波长514 nm, 激光输入功率20 mW, 采样时间180 s。

  本文将磁过滤器电流和基片偏压作为ta-C 薄膜获得高sp3 键结构的工艺参数, 研究结果表明, 除了基片偏压, 磁过滤器电流也是影响ta-C 薄膜sp3键含量的重要工艺参数, 磁过滤器电流的增大将会增大薄膜沉积率, 影响沉积粒子的荷质比, 减小薄膜sp3 键的含量。因此在选定合适的沉积偏压时, 也应当尽量选择较小的磁过滤电流, 减小沉积过程的热峰效应, 和提高对碳团簇的过滤效率, 以提高薄膜的sp 3 键含量。但是较小的磁过滤器电流会影响薄膜的沉积效率, 因此, 在实际的ta-C 薄膜制备中, 应当根据沉积薄膜的实际需要, 仔细选择合适的磁过滤器电流和基片偏压的大小, 这对ta-C 薄膜的大规模工业化生产应用具有极其重要的意义。

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