中頻脈沖非平衡磁控濺射技術(shù)制備類金剛石膜的結(jié)構(gòu)與性能
利用中頻脈沖非平衡磁控濺射技術(shù)在載玻片上制備了類金剛石(DLC)薄膜，研究了沉積氣壓對(duì)薄膜厚度、微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和光學(xué)性能的影響。厚度測(cè)試結(jié)果表明，DLC 膜厚度隨沉積氣壓的增加而增加。X 射線光電子能譜測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)沉積氣壓由0.18Pa 增加到1.50Pa 時(shí)，DLC 薄膜中sp3 雜化碳含量隨沉積氣壓的增加而減少。納米壓痕和橢偏儀測(cè)試結(jié)果表明，DLC 膜的納米硬度、折射率均隨沉積氣壓的增加而減小。采用淺注入模型分析了沉積氣壓對(duì)薄膜生長(zhǎng)和鍵合結(jié)構(gòu)的影響。以上結(jié)果表明，沉積氣壓對(duì)DLC 膜的厚度、sp3 雜化碳含量、機(jī)械與光學(xué)性能具有較大的影響。
類金剛石(diamond-like carbon 簡(jiǎn)稱DLC)薄膜是含有金剛石結(jié)構(gòu)(sp3 鍵)的亞穩(wěn)態(tài)、無定型、非晶態(tài)碳材料，該膜具有與金剛石膜相近的綜合性能，如高硬度、低摩擦系數(shù)、高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、寬帶隙、高紅外透過率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性及生物相容性等，并且與金剛石膜相比具有沉積溫度低、性能價(jià)格比高、膜面粗糙度小、易于制備等優(yōu)點(diǎn)，因此在機(jī)械、電子、光學(xué)、醫(yī)學(xué)、耐腐蝕材料等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
自Aisenberg 和Chabot 于1971年首先在室溫下采用離子束沉積方法(Ion beam deposition 即IBD)制備出DLC 膜后，已發(fā)展出多種制備DLC 膜的方法，如磁控濺射法、離子束輔助沉積法、真空陰極電弧沉積法、脈沖激光沉積法、射頻輝光放電化學(xué)氣相沉積法、電子回旋共振化學(xué)氣相沉積法、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法等物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)法。
磁控濺射是制備DLC 膜最常用的方法之一，具有膜層均勻、致密性好、工藝重復(fù)性好、沉積速率高、基體溫度低等顯著特點(diǎn)。近年發(fā)展起來的中頻脈沖非平衡磁控濺射技術(shù)結(jié)合了中頻脈沖濺射和非平衡磁控濺射的優(yōu)點(diǎn)，成為公認(rèn)的制備包括絕緣材料在內(nèi)的多種功能薄膜材料的首選工藝，并在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。該方法除了具有一般磁控濺射沉積所具有優(yōu)點(diǎn)外，還能有效消除放電打弧現(xiàn)象和靶中毒現(xiàn)象，有效改善薄膜的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和性質(zhì)，提高薄膜與基體之間的附著力。
DLC 膜中的碳原子之間以共價(jià)鍵的方式結(jié)合，化學(xué)鍵主要是sp2雜化鍵和sp3雜化鍵，這兩者含量的多少直接影響DLC 膜的性能：sp3雜化鍵含量越高，薄膜的性質(zhì)越接近于金剛石膜，表現(xiàn)為膜層致密，硬度高、耐化學(xué)腐蝕性好、帶隙寬、電阻率高等。沉積方法、沉積參數(shù)不同，所制備的DLC 膜中的sp3雜化鍵的含量不同，薄膜的性能就會(huì)有較大的差異。本文采用中頻脈沖磁控濺射技術(shù)制備了類金剛石薄膜，研究了沉積氣壓對(duì)薄膜厚度、化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和光學(xué)性能的影響。
1、實(shí)驗(yàn)
采用中頻脈沖非平衡磁控濺射技術(shù)，以石墨(純度為99.99%) 為靶材， 以氬氣(純度為99.99%)為濺射氣體，在載玻片上沉積類金剛石(DLC)膜。基片放入真空室前，先將其分別用丙酮、無水酒精、去離子水各超聲清洗15min，然后用紅外燈烘干放置于真空室。采用分子泵抽真空，在真空度達(dá)到5.0×10-4 Pa 后，進(jìn)氬氣使真空度變?yōu)?.0 Pa，用脈沖偏壓電源在基體上加負(fù)偏壓700V 進(jìn)行濺射清洗15min (占空比為80%)，進(jìn)一步除去吸附在基體表層的雜質(zhì)、油污分子，從而大幅度改善界面狀態(tài)。薄膜沉積過程中，靶- 基距為90 mm，中頻濺射電源功率為290 W，頻率為40 kHz，占空比為80%，脈沖偏壓電源固定在100V，頻率為40 kHz，占空比為80%，基體溫度為室溫，沉積氣壓分別為0.18 Pa、0.36 a、0.72Pa 和1.50 Pa。
采用Veeco Dektak 150 臺(tái)階儀對(duì)所制備的DLC膜的厚度進(jìn)行測(cè)量。KRATOS-XSAM800 表面分析系統(tǒng)用于樣品的X 射線光電子能譜(XPS)的分析，采用13 kV×19 mA 的Al Ka X 射線(1486.6 eV) 源，分析室真空度高于1×10-6 Pa。納米硬度測(cè)試在MTS 納米壓痕儀(xp 型) 上完成，納米壓痕時(shí)對(duì)每個(gè)樣品分別取3 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，然后取把3個(gè)點(diǎn)的納米硬度取平均值即為每個(gè)樣品的平均納米硬度。薄膜光學(xué)常數(shù)的測(cè)定在美國(guó)J.A.Woollam 公司生產(chǎn)的M-2000DI 光譜型橢偏儀上進(jìn)行，測(cè)試波長(zhǎng)范圍為600-1700nm。
3、結(jié)論
以氬氣為輔助氣體，采用中頻脈沖非平衡磁控濺射技術(shù)制備了類金剛石薄膜，研究了沉積氣壓對(duì)DLC 膜微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響：
(1)DLC 膜的厚度隨沉積氣壓的增加而增大。
(2)XPS 的測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)沉積氣壓由0.18 增加到1.50Pa 時(shí)，DLC 膜中的sp3 雜化鍵含量隨沉積氣壓的的增大而減少。沉積氣壓對(duì)DLC膜中sp3 雜化鍵含量的影響可以采用“淺注入模型”解釋。
(3)納米壓痕測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)沉積氣壓由0.18Pa 增加到1.50Pa 時(shí)，DLC 膜中的納米硬度、彈性恢復(fù)均隨沉積氣壓的增加而減少。
(4)橢偏儀測(cè)試結(jié)果表明，在相同的測(cè)試波長(zhǎng)下，DLC 膜的折射率隨沉積氣壓的增加而減小，這與薄膜的致密度和sp3 雜化鍵含量有關(guān)。
