CN114703451A - 一种制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备类金刚石薄膜的方法，特别涉及一种制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法，包括如下步骤：步骤一、样品和磁铁的清洁处理；步骤二、通过磁控溅射制备氮掺杂类金刚石薄膜，将石墨靶材进行预溅射用于去除靶材表面杂质，预溅射时靶材和衬底之间的挡板保持关闭状态；预溅射的工艺条件为：溅射功率密度2W/cm2,溅射时间5分钟，溅射气体为高纯氩气，气体纯度为99.999％，氩气的流量为5～30sccm，溅射时的工艺真空度为0.5～5Pa；类金刚石薄膜沉积，此时靶材和衬底之间的挡板保持开启状态，类金刚石薄膜完成在衬底上的沉积过程；完成类金刚石薄膜沉积后，关闭磁控溅射的电源，关闭工艺气体流量阀，关闭靶材和衬底之间的挡板，关闭分子泵、真空泵。

Description

一种制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种制备类金刚石薄膜的方法，特别涉及一种制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法。
背景技术
类金刚石薄膜作为功能薄膜的一类，具有一系列优异的性能，如高硬度、高耐磨性、高热导率、高电阻率、可见光波段透过率高、化学惰性等，可广泛用于机械、电子、光学、热学、声学、医学等学科领域，具有明显的应用前景。
氮掺杂类金刚石薄膜主要由C-N键、C-C杂化键(sp2和sp3两种混合)组成，高C-N键含量的氮掺杂类金刚石薄膜具有更好的强度、更好的光学透过率和更低的薄膜内应力，因此制备出高C-N键含量的类金刚石薄膜将具有明显的使用价值。磁控溅射方法制备的类金刚石薄膜中C-N键含量通常小于50％，如能利用磁控溅射方法制备出C-N键含量达70％的类金刚石薄膜，将有利于类金刚石薄膜的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、样品和磁铁的清洁处理；
其中选用的磁铁表面处磁场强度为40mT；
溅射靶材为高纯石墨靶，碳含量为99.999％；
衬底为石英片、单面抛光单晶硅片；
其中衬底的清洗程序为：无水乙醇超声清洗3次，每次超声10分钟，超纯水超声清洗3次，每次超声10分钟，高纯氮气吹干，放入真空腔内；
将石英片和单面抛光的单晶硅片固定样品架上，磁铁固定在样品架的另一面上；石英片和单晶硅片面对溅射石墨靶；
磁控溅射机利用机械泵、分子泵进行抽真空，直至真空腔体的真空度达到1.0×10-4Pa。
步骤二、通过磁控溅射制备氮掺杂类金刚石薄膜
将石墨靶材进行预溅射用于去除靶材表面杂质，预溅射时靶材和衬底之间的挡板保持关闭状态；
预溅射的工艺条件为：溅射功率密度2W/cm2,溅射时间5分钟，溅射气体为高纯氩气，气体纯度为99.999％，氩气的流量为5～30sccm，溅射时的工艺真空度为0.5～5Pa；
类金刚石薄膜沉积，此时靶材和衬底之间的挡板保持开启状态，类金刚石薄膜完成在衬底上的沉积过程；
完成类金刚石薄膜沉积后，关闭磁控溅射的电源，关闭工艺气体流量阀，关闭靶材和衬底之间的挡板，关闭分子泵、真空泵；
真空腔内通入高纯氮气，直至腔体的真空消失达到大气压力；
取出类金刚石薄膜样品，放置在除湿柜中保存。
作为优选，所述沉积过程工艺条件为：
使用射频电源或直流电源进行类金刚石薄膜的磁控溅射沉积；
磁控溅射真空腔内通入高纯氩气，纯度为99.999％和高纯氮气，纯度为99.999％的混合气体，氩气和氮气的混合气体比例范围100％：0～90％：10％，工艺真空度范围为0.1Pa～10Pa，最佳气压为2Pa；沉积时间0.5h～3h,溅射的靶材功率密度范围为1.0W/cm2～3.0W/cm2,薄膜厚度为100nm～5000nm.衬底和阴极靶之间的距离范围为3cm～15cm。
作为优选，所述衬底和阴极靶之间的距离最佳为7cm。
作为优选，对类金刚石薄膜中C-N键含量分析，利用光电子能谱仪分析40mT磁场强度下获得的类金刚石薄膜C元素结合能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法将磁控溅射设备中磁体的位置由阴极靶调整至阳极衬底处，有效避免了磁铁在阴极冷却水腐蚀的问题，同时也能避免磁控溅射沉积过程中靶材温度升高导致磁铁逐渐消磁的问题。
2.磁控溅射腔体内的磁铁放置在阳极衬底上，便于更换磁铁，利于优化磁场的强度、均匀性等关键工艺参数。
3.磁铁位置调整到阳极衬底处，有效提升了靶材的材料利用率。和磁铁放置到阴极处相比，靶材利用率由30％提升到50％以上。
4.磁铁位置由阴极调整到阳极衬底处后，类金刚石薄膜的C-N比例由50％提高到69％。
附图说明
图1为普通型磁控溅射机和磁铁反置型磁控溅射机示意图；
图2为利用光电子能谱仪分析40mT磁场强度下获得的类金刚石薄膜C元素结合能的示意图。
附图说明：1、溅射靶材；2、磁铁；3、镀膜衬底；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法，包括如下步骤：步骤一、样品和磁铁的清洁处理；其中选用的磁铁表面处磁场强度为40mT；溅射靶材为高纯石墨靶，碳含量为99.999％；衬底为石英片、单面抛光单晶硅片；其中衬底的清洗程序为：无水乙醇超声清洗3次，每次超声10分钟，超纯水超声清洗3次，每次超声10分钟，高纯氮气吹干，放入真空腔内；将石英片和单面抛光的单晶硅片固定样品架上，磁铁固定在样品架的另一面上；石英片和单晶硅片面对溅射石墨靶；磁控溅射机利用机械泵、分子泵进行抽真空，直至真空腔体的真空度达到1.0×10-4Pa。
步骤二、通过磁控溅射制备氮掺杂类金刚石薄膜
将石墨靶材进行预溅射用于去除靶材表面杂质，预溅射时靶材和衬底之间的挡板保持关闭状态；预溅射的工艺条件为：溅射功率密度2W/cm2,溅射时间5分钟，溅射气体为高纯氩气，气体纯度为99.999％，氩气的流量为5～30sccm，溅射时的工艺真空度为0.5～5Pa；类金刚石薄膜沉积，此时靶材和衬底之间的挡板保持开启状态，类金刚石薄膜完成在衬底上的沉积过程；完成类金刚石薄膜沉积后，关闭磁控溅射的电源，关闭工艺气体流量阀，关闭靶材和衬底之间的挡板，关闭分子泵、真空泵；真空腔内通入高纯氮气，直至腔体的真空消失达到大气压力；取出类金刚石薄膜样品，放置在除湿柜中保存。
所述沉积过程工艺条件为：使用射频电源或直流电源进行类金刚石薄膜的磁控溅射沉积；磁控溅射真空腔内通入高纯氩气，纯度为99.999％和高纯氮气，纯度为99.999％的混合气体，氩气和氮气的混合气体比例范围100％：0～90％：10％，工艺真空度范围为0.1Pa～10Pa，最佳气压为2Pa；沉积时间0.5h～3h,溅射的靶材功率密度范围为1.0W/cm2～3.0W/cm2，薄膜厚度为100nm～5000nm.衬底和阴极靶之间的距离范围为3cm～15cm；所述衬底和阴极靶之间的距离最佳为7cm；如图2所示，对类金刚石薄膜中C-N键含量分析，利用光电子能谱仪分析40mT磁场强度下获得的类金刚石薄膜C元素结合能；从左至右四条虚线分别对应的碳的结合键为：sp2、sp3、C-N键、C-O键，六个沉积条件分别为(Ar:N2＝)10:0,9:1,7:3,5:5,3:7,1:9，气体流量单位为sccm.
不同Ar:N2工艺气氛下C-N键的含量分别为22.48％、56.75％、64.4％、63.45％、69.35％和68.27％，最优的Ar:N2气体流量比例为3:7。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、样品和磁铁的清洁处理；
其中选用的磁铁表面处磁场强度为40mT；
溅射靶材为高纯石墨靶，碳含量为99.999％；
衬底为石英片、单面抛光单晶硅片；
其中衬底的清洗程序为：无水乙醇超声清洗3次，每次超声10分钟，超纯水超声清洗3次，每次超声10分钟，高纯氮气吹干，放入真空腔内；
将石英片和单面抛光的单晶硅片固定样品架上，磁铁固定在样品架的另一面上；石英片和单晶硅片面对溅射石墨靶；
磁控溅射机利用机械泵、分子泵进行抽真空，直至真空腔体的真空度达到1.0×10-4Pa。
步骤二、通过磁控溅射制备氮掺杂类金刚石薄膜
将石墨靶材进行预溅射用于去除靶材表面杂质，预溅射时靶材和衬底之间的挡板保持关闭状态；
预溅射的工艺条件为：溅射功率密度2W/cm2,溅射时间5分钟，溅射气体为高纯氩气，气体纯度为99.999％，氩气的流量为5～30sccm，溅射时的工艺真空度为0.5～5Pa；
类金刚石薄膜沉积，此时靶材和衬底之间的挡板保持开启状态，类金刚石薄膜完成在衬底上的沉积过程；
完成类金刚石薄膜沉积后，关闭磁控溅射的电源，关闭工艺气体流量阀，关闭靶材和衬底之间的挡板，关闭分子泵、真空泵；
真空腔内通入高纯氮气，直至腔体的真空消失达到大气压力；
取出类金刚石薄膜样品，放置在除湿柜中保存。
2.根据权利要求1所述的制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法，其特征在于：所述沉积过程工艺条件为：
使用射频电源或直流电源进行类金刚石薄膜的磁控溅射沉积；
磁控溅射真空腔内通入高纯氩气，纯度为99.999％和高纯氮气，纯度为99.999％的混合气体，氩气和氮气的混合气体比例范围100％：0～90％：10％，工艺真空度范围为0.1Pa～10Pa，最佳气压为2Pa；沉积时间0.5h～3h,溅射的靶材功率密度范围为1.0W/cm2～3.0W/cm2，薄膜厚度为100nm～5000nm.衬底和阴极靶之间的距离范围为3cm～15cm。
3.根据权利要求2所述的制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法，其特征在于：所述衬底和阴极靶之间的距离最佳为7cm。
4.根据权利要求1所述的制备高sp3碳碳键含量类金刚石薄膜的方法，其特征在于：对类金刚石薄膜中C-N键含量分析，利用光电子能谱仪分析40mT磁场强度下获得的类金刚石薄膜C元素结合能。
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