CN103114276A

CN103114276A - 一种快速沉积类金刚石薄膜的装置

Info

Publication number: CN103114276A
Application number: CN2013100740745A
Authority: CN
Inventors: 庞晓露; 杨会生; 高克玮; 王燕斌
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-03-08
Also published as: CN103114276B

Abstract

本发明为一种快速制备类金刚石薄膜的方法及装备。采用射频空心阴极效应，将等离子体束缚在一个特定的区域，负辉区合并，气体离化率成倍增加。同时，射频辉光放电过程中，电子被束缚在电极间，在放电空间来回运动，增加了与气体分子碰撞的次数，使电离能力显著提高从而提高等离子体的密度和能量，进而提高薄膜的沉积速率和膜质量，并显著提高生产效率，降低产品成本，易于实现工业化生产。

Description

一种快速沉积类金刚石薄膜的装置

技术领域

本发明涉及类金刚石薄膜的制备装置，特别涉及高效、高质量类金刚石薄膜的制备装置。

背景技术

类金刚石薄膜（Diamond-like Carbon films，简称DLC薄膜）是含有sp²和sp³键的非晶态碳膜的总称，兼具金刚石和石墨的双重性能，包括：高硬度和弹性模量、低摩擦系数、高耐磨性、高导热率、高电阻率、良好的光学透过性、化学惰性以及良好的生物相容性等，在机械、电子、光学、医学等领域具有广阔的应用前景。

通过调整sp²和sp³键的相对含量可以使其性能得到相对应的调节,由于DLC薄膜性能优异并可智能化调制,因而,对其应用推广的研究方兴未艾。自七十年代实现了DLC薄膜的人工合成以来，对类金刚石的制备和研究一直都在进行中，并且取得具有重大意义的研究成果。例如，DLC薄膜与基体结合力的显著提升；DLC薄膜热稳定性提高；DLC薄膜中内应力的降低等。对于工业界来说，如何高效、低价、大面积制备类金刚石薄膜是他们更为关心的问题。

制备DLC薄膜现在主要是用各种气相沉积法，根据原理不同，类金刚石膜的制备技术主要可被分为两类：化学气相沉积和物理气相沉积，物理气相沉积法的基础是碳原子的高能沉积，而化学气相沉积法则主要指等离子体辅助的化学气相沉积。

具体的沉积方法主要有以下几种：

离子束沉积方法，其原理是采用氩等离子体溅射石墨靶形成碳离子，并通过电磁场加速使碳离子沉积于基体表面形成类金刚石膜。离子束增强沉积是离子束沉积的改进型，它是在前面沉积碳原子的同时，用另一离子束轰击正在生长中的类金刚石膜，通过这种方法提高了薄膜的沉积速率和致密性，获得的类金刚石膜在综合性能方面有很大的提高。缺点是离子枪的尺寸较小，只能在较小或中等尺寸的基片上沉积薄膜，不适合大量生产。且它所使用的设备较为复杂和昂贵，不适用于需要降低生产成本的民用产品的薄膜涂层。

磁控溅射是目前工业上生产DLC 薄膜的主要技术，其特点是它能够满足工业上大批量生产以及对基体覆盖率的要求，并能够对工艺条件进行很好的控制。磁控溅射可以是直流磁控溅射，也可以是射频磁控溅射。磁控溅射本质上是磁控模式运行的二极溅射。磁控溅射法的基本原理是在阴极上放置以石墨制成的靶材，通常采用数百ev 能量的Ar⁺离子溅射石墨靶的表面，使靶表面的原子被溅射出来。这种被溅射出来的碳原子的平均能量较高，它沉积于欲被保护的表面上，即形成类金刚石膜，该方法沉积类金刚石薄膜的速率较低，致密性差。

脉冲激光沉积，是利用激光束通过聚焦透镜和石英窗口，引入沉积室后投射在旋转的石墨靶上，在高能量密度的激光作用下形成激光等离子体放电，并且产生的碳离子也有很高的能量，在基体上形成sp²键的四配位结构沉积成类金刚石薄膜。这种方法优点是：沉积速率高，可以获得表面光滑、硬度很高以及与金刚石结构十分相似的高sp³键含量的类金刚石薄膜。但该方法也存在薄膜沉积过程耗能高、薄膜沉积面积小的缺点。

阴极电弧沉积法是近年发展起来的一种沉积DLC的方法，其原理是：电弧装置引燃电弧，在电源的维持和磁场的推动下，由碳阴极直接参与放电过程，电弧在靶面游动，电弧所经之处，导致碳原子的大量蒸发，在基体负偏压作用下，沉积到基体上，形成类金刚石薄膜。这种方法的优点是它可以更为有效地调节沉积过程中碳原子的能量，因而可提高类金刚石膜中sp³键的相对量，有利于提高类金刚石涂层的硬度。这种方法的缺点是在碳阴极的放电过程中，常伴随有碳颗粒的大量喷溅，而去除碳颗粒的设备既复杂，又会大幅度地降低薄膜的沉积速率和产品的产量。

等离子体技术从20世纪60年代开始就被广泛应用于薄膜材料的制备。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体产生的活性来促进反应。PECVD过程中电子温度比普通气体分子温度高出10～100倍，而环境温度只为100～300℃，但反应气体在辉光放电等离子体中能受激分解、离解和离化，从而大大提高了参与反应物的活性。PECVD根据等离子体产生的方法不同可分为直流等离子体、射频等离子体和微波等离子体三种。沉积速率一般小于10 nm/min、成膜质量好、针孔少和不易龟裂的优点。

众所周知，在真空镀膜的过程中，效率的高低对工业成本起着至关重要的作用，因此，为了降低工业成本必然采用更高效的制备方法和装备。专利CN201010168336.0提出了一种金属-类金刚石纳米复合膜及其制备方法；CN201010533692.8提出了形成有类金刚石碳薄膜的材料及用于制造该材料的方法；CN201210131830.9提出了一种类金刚石薄膜及其制备方法。综上，在物理法制备类金刚石薄膜时，沉积速率的快慢与激发出的碳原子有直接关系，在化学法制备类金刚石薄膜时，沉积速率的快慢与离化出的碳有关，即都与等离子体密度和能量有直接关系，提高等离子密度和能量是高效制备类金刚石薄膜的根本。

发明内容

本发明采用射频空心阴极增强等离子体技术提高等离子体密度和能量，并根据此原理研制出一套高效制备类金刚石薄膜的装备。

射频空心阴极增强等离子体技术提高等离子体密度和能量物理原理如下：

如图1所示，让两个阴极板C1和C2逐渐互相靠近，使两极板产生的负辉区合并，这时，气体离化率成倍增加，负辉的发光强度和电流密度都大大增加。这就是“空心阴极效应”（Hollow Cathode Effect）。空心阴极是一种特殊形状的阴极。如果是平行极空心阴极，则空心阴极中能显著分为三个区：两个阴极暗区和一个负辉区。如果是圆柱空心阴极，则在阴极内显著存在的是两个区：阴极暗区和负辉区。电子在两阴极板间反射、振荡，形成高密度等离子体。数量级达10¹⁰~10¹²cm^-3，而相同功率下PECVD模式下等离子密度约为10⁹cm^-3，PVD模式下等离子密度小于10⁹cm^-3。

本发明的具体技术方案如下：

一种快速沉积类金刚石薄膜的装置，所述装置包括真空室、真空系统、电源系统、工件装卡及旋转系统、工作气体及反应气体的供给及流量控制系统；

其特征在于：所述装置还包括一射频空心阴极系统，所述系统为平板型，包括上阴极板及下阴极板，所述任一极板一侧设有气路接口，气体通过该极板供给，基片放在另一极板上；下阴极板安装在工件装卡及旋转系统的旋转支架上，气体由真空室通气口供给；上下阴极板通过三个长度可调螺杆连接，通过调整配套的螺母，调节两极板板间距，空心阴极系统通过下阴极板连接射频电源进行供电。

进一步的上述装置中，所述射频空心阴极系统中设置的两阴极板板间距为D=12-80 mm，放电气体为高纯氩气，气体流量是15-60 sccm，工作气压为0.1-10 Pa。

进一步的上述装置中，所述射频空心阴极系统为圆筒型，所述圆筒任一截面上设有气路接口，气体通过该端馈入圆筒内，圆筒的壁上接入电源，空心阴极系统通过其连接射频电源进行供电；金属圆筒直径可调,长度可调。

进一步的上述装置中，所述射频空心阴极系统中圆筒的长度和直径的比值小于12；放电气体为高纯氩气，气体流量是15-60 sccm，工作气压为0.1-10 Pa。

本发明的有益效果在于：射频空心阴极效应（RF-HPCVD）和直流空心阴极效应相比，它是在射频辉光放电的基础上发生的。射频辉光放电过程中，电子被束缚在电极间，在放电空间来回运动，增加了与气体分子碰撞的次数，使电离能力显著提高，击穿电压明显降低，放电比直流条件下更易自持。这也说明射频空心阴极放电稳定性和有效性比支流空心阴极的更高，有利于大面积放电。

国内外，工业上制备类金刚石薄膜的装备主要是化学气相沉积和物理气相沉积，本发明产品可以通过在原有的设备基础上通过简单的改造即可实现空心阴极效应，从而提高等离子体密度，进而提高薄膜的沉积速率，并降低成本，易于实现工业化生产。

附图说明

图1(a)空心阴极放电原理示意图。

图1(b)平板型空心阴极示意图。

图1(c)圆筒形空心阴极示意图。

图2 射频空心阴极装备示意图。

图3两种系统沉积速率对比。

具体实施方式

实施例1

本发明具体实施时设计一套外形尺寸一样的平行板空心阴极。上、下极板直径可根据原真空室大小确定，并且在极板一侧设有气路接口，气体通过其中一极板供给，基片放在另一极板上。其中下极板安装在旋转支架上（旋转支架由电机带动），气体由真空室通气口供给。上下极板通过三个长度可调螺杆连接。通过调整配套的螺母，两极板板间距可调。空心阴极装置都通过下极板连接射频电源进行供电。

图3（a）中所示的是在平板型射频空心阴极和射频等离子体增强化学气相沉积两种薄膜沉积系统中，在不同的工作条件下，沉积速率的不同，其中射频空心阴极系统中设置的两阴极板板间距为D=12-80 mm。放电气体为高纯氩气，气体流量是15-60 sccm，工作气压为0.1-10 Pa时。从图中可以看出，在工作气体压强不变的情况下，两种沉积系统的沉积速率都随工作功率的增加而增加，但沉积速率有很明显的区别，相同功率条件下射频空心阴极系统沉积速率要远远高于等离子体增强化学气相沉积，本实施例中最高约为7倍。

实施例2

本发明具体实施时设计一圆筒型空心阴极系统。圆筒任一截面作为气体入口，气体通过该端馈入圆筒内，圆筒的壁上接入电源，空心阴极系统通过其连接射频电源进行供电；圆筒的长度和直径的比值小于12，在此范围内金属圆筒直径可调,长度可调。

图3（b）中所示的是在圆筒型射频空心阴极和射频等离子体增强化学气相沉积两种薄膜沉积系统中，在不同的工作条件下，沉积速率的不同，其中射频空心阴极系统中圆筒的直径d=10-150 mm。放电气体为高纯氩气，气体流量是15-60 sccm，工作气压为0.1-10 Pa时。从图中可以看出，纯氩气条件下，在工作气体压强不变的情况下，两种沉积系统的沉积速率都随工作功率的增加而增加，但沉积速率有很明显的区别，射频空心阴极系统沉积速率要远远高于等离子体增强化学气相沉积，本实施例中最高约为6倍。

Claims

1.一种快速沉积类金刚石薄膜的装置，所述装置包括真空室、真空系统、电源系统、工件装卡及旋转系统、工作气体及反应气体的供给及流量控制系统；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述射频空心阴极系统中设置的两阴极板板间距为D=12-80 mm，放电气体为高纯氩气，气体流量是15-60 sccm，工作气压为0.1-10 Pa。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述射频空心阴极系统还可以为圆筒型，所述圆筒任一截面上设有气路接口，气体通过该端馈入圆筒内，圆筒的壁上接入电源，空心阴极系统通过其连接射频电源进行供电；金属圆筒直径可调,长度可调。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述射频空心阴极系统中圆筒的直径和长度可调，但长度和直径的比值小于12；放电气体为高纯氩气，气体流量是15-60 sccm，工作气压为0.1-10 Pa。