CN105714256A - 一种磁控溅射低温制备dlc薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种磁控溅射低温制备DLC薄膜的方法

技术领域

本发明属于硬质薄膜领域。特别是涉及一种低温环境下等离子体辅助磁控溅射法制备DLC薄膜，利用等离子体辅助孪生靶中频或脉冲直流磁控溅射技术制备了DLC硬质薄膜的新工艺。

背景技术

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，传统磁控溅射是镀制DLC薄膜常用的方法。它的优点在于磁控溅射法可以获得表面粗糙度低，均匀性良好的DLC薄膜。但是传统的磁控溅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靶面附近，而整个沉积室内的等离子体密度低。在镀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sp³键含量的DLC薄膜，而且为了保证DLC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℃环境下。这样使得DLC薄膜的镀制条件范围窄，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溅射镀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。

发明内容

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溅射技术，沉积温度为低温环境，所制备的DLC硬质薄膜性能良好，sp³键含量高，即sp³/sp²比值大。

本发明首先采用孪生靶脉冲直流磁控溅射方法，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，增加镀膜时气体离化率，当工件经过溅射石墨靶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，沉积温度可以恒定在室温或是低温状态。

用于制备DLC硬质涂层的磁控溅射阴极采用中频电源或脉冲直流电源，溅射靶材为石墨，制备薄膜时，控制工作气体(氩气)压强在0.1Pa-3Pa；温度恒定在室温-200℃的某一值；溅射电源电流在1A-30A等条件，在衬底上沉积DLC薄膜。

本发明优点:

1)与传统磁控溅射法制备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，表面粗糙度小，薄膜与衬底有较高的结合力，很难产生局部脱落

2)与传统磁控溅射法制备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DLC薄膜。

3)整个沉积过程中，真空室维持在：室温～100℃，为低温环境，在不破坏高速钢等工件的前提下沉积DLC薄膜，这样就增加了待镀工件材料的种类。利于DLC薄膜在多领域的应用。

附图说明

图1新型等离子体辅助磁控溅射结构俯视示意图1；1、孪生靶，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；

图2不同等离子体功率下

制备薄膜拉曼光谱曲线。

具体实施方式

使用设备：

薄膜沉积装置为ACSP70/73型多功能离子镀膜试验机。实验设备含有：一台北科仪机械泵和一台日本大阪真空的分子泵构成真空系统；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，保证真空室和衬底温度误差＜0.5℃；一台10KW脉冲直流电源和一台10KW双极性脉冲偏压电源，溅射电源频率为40kHz,溅射过程中两个靶交替的作为阴极和阳极，在负半周期内出现靶材溅射，正半周期内中和靶面的积累电荷，有效地防止了靶材中毒和阳极消失现象；用作等离子体产生源的磁控溅射阴极面积仍为563mm(长)×106mm(宽)，表面靶材采用北京有色金属研究院生产的氧化铝陶瓷靶，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；

新型等离子体辅助磁控溅射结构俯视示意图1；1、孪生靶，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；

整个真空室为圆筒形结构。

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心，公转盘绕公转轴匀速旋转，公转转速在5-30r/min范围内可调。公转盘旋转方向按等离子体源与溅射靶相对位置设定或按镀膜工艺要求设定。

孪生靶电源采用脉冲直流电源，孪生靶形状为矩形或圆柱形，孪生靶磁场采用非平衡磁场，靶背面采用循环水冷结构。孪生靶材料均为石墨，溅射过程中两个石墨靶交替互为阴极和阳极，每个单靶在负半周期时，工作状态为溅射靶材，正半周期时，工作状态为中和靶面的积累电荷。

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靶基距是相同的，工件架与公转盘之间需用陶瓷垫片绝缘。根据镀膜工艺的不同，在真空室空间允许的情况下，工件架数量可以按要求尽可能多。工件架直径、靶基距可以按镀膜工艺进行调整。

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。

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，反射功率可以控制到0w；射频电源功率输入到真空室内一非平衡磁场磁控溅射阴极(或称之为非平衡磁场磁控溅射靶)，非平衡磁场磁控溅射靶材料需要采用难溅射靶材，例如氧化铝、氧化钛等材料，射频电源功率控制在1000W范围内，用以保证靶材无任何溅射，射频电源功率是影响DLC薄膜质量的重要因素。

孪生靶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，这与公转盘旋转方向直接相关。每个溅射孪生靶的前表面装有气动挡板，每次镀膜前，先只通入工作气体，进行靶面清洗，靶面干净之后，再通入反应气体，待溅射过程以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。

需要说明的是：非平衡磁场孪生靶或非平衡磁场单靶都可以用做石墨靶。

具体的工艺参数：

离子源功率0～3.5kw调节；石墨靶电流：1～15A调节；基底偏压：-80～-200V；靶基距：120mm；氩气流量：200～300sccm；本底真空度：5×10^-3Pa至5×10^-4Pa之间；工作气压：0.1～1Pa调节。

实施例1:

将尺寸为40×40×5mm的钢片、的硅片和K9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，待温度稳定在150℃，真空抽至5×10^-3Pa，充氩气，用质量流量计控制氩气进气流量，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，石墨靶电源电流至3A，使石墨靶起辉，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。

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，从图中可以看出，在无等离子体辅助时DLC薄膜SP³键含量较低。

实施例2:

将尺寸为40×40×5mm的钢片、的硅片和K9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，待温度稳定在150℃，真空抽至5×10^-3Pa，充氩气，用质量流量计控制氩气进气流量，使其稳定在0.4Pa，开启公转盘，转速稳定在5r/min，逐步增加离子源功率至1000W，石墨靶电源电流至3A，使石墨靶起辉，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。

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，从图中可以看出，在无等离子体辅助时DLC薄膜SP³键含量较高。

本发明通过对传统磁控溅射技术的改进，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溅射溅射石墨靶，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。本发明可以为硬质薄膜的实验研究或工业生产提供样品。

Claims (10)

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sp³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：靶材料为Al₂O₃或TiO₂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0.1Pa-3Pa；温度在室温-200℃；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。