CN105869995A - 一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法，该方法包括以下步骤：（1）用浓度为95%的酒精对硅衬底进行处理，得到处理后的硅片基底，将该硅片基底粘贴在基架上，启动薄膜制备设备，并抽真空；（2）利用磁过滤阴极真空电弧设备，通过刻蚀清洗硅片基底，得到超薄ta‑C碳膜；（3）对所述超薄ta‑C碳膜进行沉积，35~40min后得到膜厚为45~50nm的超薄四面体非晶碳膜；该超薄四面体非晶碳膜降温至20~30℃后即可。本发明低应力、高硬度，不损伤薄膜力学性能，不降低sp 3 含量，制备简单方便，延长薄膜使用寿命。

Description

一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，尤其涉及一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法。
背景技术
四面体非晶碳膜具有高硬度、超光滑、低摩擦系数、良好的光学特性等优点，在微电子器件、航天航空、薄膜太阳能电池等方面具有广阔的应用前景。特别是随着磁存储技术的发展，需要一种膜厚较小的超薄薄膜来提高磁存储密度，同时对磁存储器件磁头和磁盘起到保护作用。 而且随着各种微电子器件微型化、小型化的发展趋势，也需要一种只有几十到几个纳米厚度且满足各种器件要求的保护涂层。但是由于薄膜沉积时高能粒子的轰击引起薄膜脱落而形成的残余应力阻碍了超薄ta-C 碳膜的应用，影响了薄膜的使用寿命，已经成为限制超薄ta-C膜研究和应用的关键。
目前，研究者主要通过调控基底偏压，掺杂钨、铜等金属元素，退火处理（600℃）等多种方法降低超薄ta-C 碳膜残余应力，但是都存在一些不足，超薄ta-C 碳膜具有较高的sp3含量，薄膜残余应力和薄膜硬度都与sp3含量有关，这些方法在降低薄膜残余应力的同时，也损伤了薄膜硬度，降低了薄膜的力学性能，降低了薄膜中sp3的含量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低应力、高硬度，不损伤薄膜力学性能，不降低sp3含量，制备简单方便，延长薄膜使用寿命的降低超薄四面体非晶碳膜应力方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法，包括以下步骤：
（1）将浓度为95%的酒精倒入烧杯中，放入硅衬底，使硅衬底没入酒精液面以下，再将盛有酒精和硅衬底的烧杯放入超声波清洗仪内，打开超声波，清洗5分钟，得到处理后的硅片基底，将该硅片基底粘贴在基架上，启动薄膜制备设备，并抽真空至3×10-5Torr；
（2）利用磁过滤阴极真空电弧设备，在入射粒子角度为60°、基底负偏压为-400V、弧流为55A、氩气通入量为20sccm、基底刻蚀时间为10min的条件下，通过刻蚀清洗硅片基底，得到超薄ta-C碳膜；
（3）在入射粒子角度为60°、基底负偏压为-80V、弧流为60A、氩气通入量为2sccm的条件下，对所述超薄ta-C碳膜进行沉积，35~40min后得到膜厚为45~50nm的超薄四面体非晶碳膜；该超薄四面体非晶碳膜降温至20~30℃后即可。
所述步骤（3）中超薄ta-C碳膜沉积区域小于5cm×5cm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明降低薄膜残余应力的方法操作简单、易行。
2、本发明降低超薄ta-C碳膜残余应力的同时，并未损伤薄膜力学性能和降低薄膜sp3的含量，使薄膜具有低应力、高强度的特点，延长薄膜使用寿命。
3、本发明降低薄膜应力，保持薄膜其它优异性能的同时，并未引入新元素，降低薄膜的生产成本。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1是本发明中粒子入射角示意图；
图2是本发明超薄ta-C碳膜不同入射角下的薄膜残余应力与薄膜硬度。
具体实施方式
实施例1 一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法，包括以下步骤：
（1）将浓度为95%的酒精倒入烧杯中，放入硅衬底，使硅衬底没入酒精液面以下，再将盛有酒精和硅衬底的烧杯放入超声波清洗仪内，打开超声波，清洗5分钟，得到处理后的硅片基底，将该硅片基底粘贴在基架上，启动薄膜制备设备，并抽真空至3×10-5Torr；
（2）利用磁过滤阴极真空电弧设备，在入射粒子角度为60°、基底负偏压为-400V、弧流为55A、氩气通入量为20sccm、基底刻蚀时间为10min的条件下，通过刻蚀清洗基底硅片，得到超薄ta-C碳膜；
（3）在入射粒子角度为60°、基底负偏压为-80V、弧流为60A、氩气通入量为2sccm的条件下，对超薄ta-C碳膜进行沉积，35~40min后得到膜厚为45~50nm的超薄四面体非晶碳膜；该超薄四面体非晶碳膜降温至20~30℃后即可，制得超薄四面体非晶薄膜应力为2.8GPa，硬度和sp3含量为33.5GPa。
实施例2 一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法，包括以下步骤：
（1）将浓度为95%的酒精倒入烧杯中，放入硅衬底，使硅衬底没入酒精液面以下，再将盛有酒精和硅衬底的烧杯放入超声波清洗仪内，打开超声波，清洗5分钟，得到处理后的硅片基底，将该硅片基底粘贴在基架上，启动薄膜制备设备，并抽真空至3×10-5Torr；
（2）调整入射粒子角度垂直于基底、基底负偏压为-400V、弧流为55A、氩气通入量为20sccm、基底刻蚀时间为10min的条件下，通过刻蚀清洗基底硅片，得到超薄ta-C碳膜；
（3）利用磁过滤阴极真空电弧设备，在入射粒子角度垂直于基底、基底负偏压为-80V、弧流为60A、氩气通入量为2sccm的条件下，对超薄ta-C碳膜进行沉积，35~40min后得到膜厚为45~50nm的超薄四面体非晶碳膜；该超薄四面体非晶碳膜降温至20~30℃后即可，制得超薄四面体非晶薄膜应力为3.75GPa，硬度和sp3含量为33.5GPa。
实施例3 一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法，包括以下步骤：
（1）将浓度为95%的酒精倒入烧杯中，放入硅衬底，使硅衬底没入酒精液面以下，再将盛有酒精和硅衬底的烧杯放入超声波清洗仪内，打开超声波，清洗5分钟，得到处理后的硅片基底，将该硅片基底粘贴在基架上，启动薄膜制备设备，并抽真空至3×10-5Torr；
（2）利用磁过滤阴极真空电弧设备，调整入射粒子角度为15°、基底负偏压为-400V、弧流为55A、氩气通入量为20sccm、基底刻蚀时间为10min的条件下，通过刻蚀清洗基底硅片，得到超薄ta-C碳膜；
（3）在入射粒子角度为15°、基底负偏压为-80V、弧流为60A、氩气通入量为2sccm的条件下，对超薄ta-C碳膜进行沉积，35~40min后得到膜厚为45~50nm的超薄四面体非晶碳膜；该超薄四面体非晶碳膜降温至20~30℃后即可，制得超薄四面体非晶薄膜应力为3.65GPa，硬度和sp3含量为34GPa。
实施例4 一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法，包括以下步骤：
（1）将浓度为95%的酒精倒入烧杯中，放入硅衬底，使硅衬底没入酒精液面以下，再将盛有酒精和硅衬底的烧杯放入超声波清洗仪内，打开超声波，清洗5分钟，得到处理后的硅片基底，将该硅片基底粘贴在基架上，启动薄膜制备设备，并抽真空至3×10-5Torr；
（2）利用磁过滤阴极真空电弧设备，调整入射粒子角度为30°、基底负偏压为-400V、弧流为55A、氩气通入量为20sccm、基底刻蚀时间为10min的条件下，通过刻蚀清洗基底硅片，得到超薄ta-C碳膜；
（3）在入射粒子角度为30°、基底负偏压为-80V、弧流为60A、氩气通入量为2sccm的条件下，对超薄ta-C碳膜进行沉积，35~40min后得到膜厚为45~50nm的超薄四面体非晶碳膜；该超薄四面体非晶碳膜降温至20~30℃后即可，制得超薄四面体非晶薄膜应力为3.6GPa，硬度和sp3含量为34GPa。
实施例5 一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法，包括以下步骤：
（1）将浓度为95%的酒精倒入烧杯中，放入硅衬底，使硅衬底没入酒精液面以下，再将盛有酒精和硅衬底的烧杯放入超声波清洗仪内，打开超声波，清洗5分钟，得到处理后的硅片基底，将该硅片基底粘贴在基架上，启动薄膜制备设备，并抽真空至3×10-5Torr；
（2）利用磁过滤阴极真空电弧设备，调整入射粒子角度为45°、基底负偏压为-400V、弧流为55A、氩气通入量为20sccm、基底刻蚀时间为10min的条件下，通过刻蚀清洗基底硅片，得到超薄ta-C碳膜；
（3）在入射粒子角度为45°、基底负偏压为-80V、弧流为60A、氩气通入量为2sccm的条件下，对超薄ta-C碳膜进行沉积，35~40min后得到膜厚为45~50nm的超薄四面体非晶碳膜；该超薄四面体非晶碳膜降温至20~30℃后即可，制得超薄四面体非晶薄膜应力为3.0GPa，硬度和sp3含量为33.5GPa。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，沉积后超薄四面体非晶碳膜厚度达到45~50nm，改变粒子入射角，薄膜残余应力降低25%，硬度和sp3含量没有发生明显的变化，基本保持不变（参见图1、图2）。

Claims (2)

1.一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法，包括以下步骤：
（1）将浓度为95%的酒精倒入烧杯中，放入硅衬底，使硅衬底没入酒精液面以下，再将盛有酒精和硅衬底的烧杯放入超声波清洗仪内，打开超声波，清洗5分钟，得到处理后的硅片基底，将该硅片基底粘贴在基架上，启动薄膜制备设备，并抽真空至3×10-5Torr；
（2）利用磁过滤阴极真空电弧设备，在入射粒子角度为60°、基底负偏压为-400V、弧流为55A、氩气通入量为20sccm、基底刻蚀时间为10min的条件下，通过刻蚀清洗硅片基底，得到超薄ta-C碳膜；
（3）在入射粒子角度为60°、基底负偏压为-80V、弧流为60A、氩气通入量为2sccm的条件下，对所述超薄ta-C碳膜进行沉积，35~40min后得到膜厚为45~50nm的超薄四面体非晶碳膜；该超薄四面体非晶碳膜降温至20~30℃后即可。
2.根据权利要求1所述的一种降低超薄四面体非晶碳膜应力的方法，其特征在于：所述步骤（3）中超薄ta-C碳膜沉积区域小于5cm×5cm。
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