CN114875367A - 脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法 - Google Patents

Abstract

脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜(ta‑C)的方法，本发明是为了解决ta‑C碳膜制备过程中较高的固有应力，限制了碳膜厚度的问题。沉积厚的ta‑C的方法：一、真空室内石墨阴极靶材与脉冲阴极弧电源连接，工件基体与工件脉冲偏压电源相连接；二、抽真空通入氩气，通过脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制放电模式沉积ta‑C碳膜，其中工件偏压脉冲中先施加多段正向短脉冲，之后的多段负向工件偏压脉冲与脉冲阴极弧多段正向脉冲保持同频率和脉宽工作。本发明通过多段正向偏压脉冲排斥Ar⁺离子，规避Ar⁺离子对膜层的轰击夯实作用，降低薄膜应力。通过多段脉冲的设计有效地控制了薄膜沉积过程中的膜层温度。

Description

脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶 碳膜的方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的放电模式，通过优先工作的多段正向脉冲排斥Ar⁺离子，减少Ar⁺离子对膜层的轰击夯实作用并控制工件表面温度，有效地降低了ta-C碳膜的固有应力，实现沉积厚ta-C碳膜的目的。

背景技术

四面体非晶碳膜(ta-C)是应用最为广泛的耐摩擦保护涂层。虽然ta-C碳膜具有极好的耐摩擦性能，但由于其成膜过程中存在的高固有应力，膜层的厚度一直被限制，且高的应力伴随着膜层厚度的增加而持续积累。一旦薄膜内应力的积累程度超过了碳基网络自身的结合强度时，发生掉膜或崩膜的现象。同时，这也极大地降低了涂层与基材之间的粘附强度。因此，由于厚度的限制严重地制约了ta-C碳膜在不同组件和复杂工况条件下的应用。然而，汽车发动机中的活塞环、活塞钉和挺杆等关键组件都需要厚的ta-C碳膜以满足长时间、耐高温和耐高压的工作要求。为了解决高固有应力对ta-C碳膜厚度的限制，许多尝试降低应力和控制涂层温度的方法已经被应用在沉积薄膜的工艺研究中。然而伴随膜层生长的高固有应力以及薄膜和基体之间热膨胀系数的差异，仍然将薄膜的厚度限制在1-2μm之间。

许多方法被用来解决应力限制膜厚的问题，例如，元素掺杂、热退火、软硬交替层、设计多层膜结构以及高能量离子轰击等方式。但这些方法都存在着一些问题。例如金属掺杂将会引起光学透明度的损失；热力学退火虽然能有限的降低内应力，但是并不合适对温度敏感的基体材料；软硬交替层的沉积方式很难精准地控制超薄软层的沉积；高能离子轰击后的碳化物夹层有好的结合强度，但对基体材料的成分有严格的要求。

以上降低膜层应力的方式主要是针对碳层本身的研究，而忽略了膜层沉积过程中氩气对薄膜应力的影响。由于成膜过程中形成sp³杂化键的成键吉布斯自由能高于形成sp²杂化键的吉布斯自由能，导致成膜过程中必须存在局部的高温高压条件以保证反应的逆向进行。该过程积累了大量的应力，而应力导致膜层失效。正因为如此，氩气轰击夯实作用带来的应力积累不能被忽略！

发明内容

本发明的目的是为了解决ta-C碳膜制备过程中较高的固有应力积累，限制了碳膜厚度的问题，而提供一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法。

本发明脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法按照以下步骤实现：

一、将工件基体置于真空室中，真空室内设置有石墨阴极靶材，石墨阴极靶材与脉冲阴极弧电源的输出端连接，脉冲阴极弧电源包括直流端和脉冲端两个输出端口，通过直流端输出电流稳定弧斑运行，并通过脉冲端输出脉冲电流，工件基体与工件脉冲偏压电源的脉冲输出端连接，工件脉冲偏压电源施加工件偏压脉冲；

二、将真空室抽真空，然后向真空室中通入氩气，通过脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制放电模式沉积ta-C碳膜；其中所述脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制放电模式是在每个放电周期，工件偏压脉冲中先施加多段正向短脉冲，每个正向短脉冲的脉宽为20～40μs，正向短脉冲的峰值电压为500～1500V，工件偏压脉冲的负向脉冲工作的同时，脉冲阴极弧正向脉冲开始工作，且工件偏压脉冲负向脉冲与脉冲阴极弧正向脉冲的频率和脉宽相同。

本发明提出一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的模式，利用正向多段工件偏压脉冲排斥Ar⁺离子，减小Ar⁺离子对膜层的轰击夯实作用，起到降低固有应力的作用。接下来，延迟工作的多段阴极弧脉冲与负向的多段工件偏压脉冲保持同频/同脉宽协同工作，实现厚ta-C碳膜的沉积工艺过程。另一方面，温度是影响ta-C碳膜力学性能的重要因素。一般情况下，当沉积温度超过120℃时，膜层中的碳原子多以sp²杂化为主，这种石墨相的成分，降低了ta-C碳膜的纳米硬度和弹性模量等力学性能，进而影响其摩擦磨损性能。因此，本发明设计了多段脉冲的工作模式，避免离子轰击引起膜层温度过高对膜层力学性能的影响。本发明所提出的一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的放电模式，不仅适用于石墨靶材沉积ta-C碳膜工艺研究，同时也可以作为Ti、Cr等金属靶或TiAl等合金靶沉积工艺中降低膜层应力的有效手段。

本发明脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法包括以下有益效果：

1.通过脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制模式，首先工件偏压脉冲设置为多段式双极性脉冲工作模式。优先工作的多段正向偏压脉冲排斥Ar⁺离子，减少Ar⁺离子对膜层的轰击夯实作用，有效地降低了ta-C碳膜的固有应力，实现沉积厚的ta-C碳膜的目的。相较于传统的脉冲阴极弧和工件偏压脉冲单独工作(非协同)的沉积模式，脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的放电模式，由于优先工作的多段正向脉冲排斥Ar⁺离子，有效地规避前期Ar⁺离子对膜层的轰击夯实作用，降低了膜层的固有应力，实现降低应力和沉积镀膜过程的同步进行。

2.本发明提出一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的厚的四面体非晶碳膜的沉积方法。沉积过程中，基体温度是影响ta-C碳膜力学性能的重要因素。一般情况下，当沉积温度超过120℃时，膜层中的碳原子多以sp²杂化为主，这种石墨相的成分，降低了ta-C碳膜的纳米硬度和弹性模量等力学性能，进而影响其摩擦磨损性能。因此，本发明设计了多段脉冲的工作模式，减少了工件偏压电场加速离子对工件轰击带来的持续加热作用，有效地降低了薄膜沉积过程中的膜层温度，保证了ta-C碳膜应用时的力学和摩擦学性能。

附图说明

图1是本发明中真空室的整体结构示意图；

图2是具体实施方式一中工件偏压脉冲电源的脉冲波形示意图；

图3是具体实施方式一中脉冲阴极弧电源的脉冲波形示意图；

图4是本发明脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的工作模式的脉冲波形示意图；

图5是实施例中脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制以及非协同工作模式下放电基体平均电流曲线图；其中a代表脉冲阴极弧和工件偏压脉冲非协同工作，b代表脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制；

图6是实施例中脉冲阴极弧/工件偏压脉冲非协同工作模式下放电光谱曲线图；

图7是实施例中脉冲阴极弧/工件偏压脉冲非协同工作模式下各粒子强度比曲线图，其中■代表I_C ⁺/I_C+I_C ⁺，▲代表I_C ⁺/I_Ar ⁺，●代表I_Ar ⁺/I_C+I_C ⁺；

图8是实施例中脉冲阴极弧/工件偏压脉冲非协同工作模式下沉积ta-C碳膜的截面电镜图；

图9是实施例中脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制工作模式下沉积ta-C碳膜的截面电镜图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法按照以下步骤实施：

一、将工件基体6置于真空室5中，真空室5内设置有石墨阴极靶材4，石墨阴极靶材4与脉冲阴极弧电源3的输出端连接，脉冲阴极弧电源3包括直流端和脉冲端两个输出端口，通过直流端输出电流稳定弧斑运行，并通过脉冲端输出脉冲电流，工件基体6与工件脉冲偏压电源1的脉冲输出端连接，工件脉冲偏压电源1施加工件偏压脉冲；

二、将真空室5抽真空，然后向真空室5中通入氩气，通过脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制放电模式沉积ta-C碳膜；其中所述脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制放电模式是在每个放电周期，工件偏压脉冲中先施加多段正向短脉冲，每个正向短脉冲的脉宽为20～40μs，正向短脉冲的峰值电压为500～1500V，工件偏压脉冲的负向脉冲工作的同时，脉冲阴极弧正向脉冲开始工作，且工件偏压脉冲负向脉冲与脉冲阴极弧正向脉冲的频率和脉宽相同。

本实施方式通过控制单元2控制脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同工作。

本实施方式工件脉冲偏压电源1的正/负脉冲电压分别为0-1000V和0-(-2000V)可调，频率0-5000Hz可调，正向脉冲脉宽0-5000μs可调，负向脉冲脉宽0-5000μs可调，其脉冲波形示意图如图2所示。

本实施方式脉冲阴极弧电源3的直流稳弧电流设置为50A，脉冲峰值电流0-2000A可调，频率0-5000Hz可调，脉宽0-5000μs可调，其脉冲波形示意图如图3所示。

通过脉冲阴极弧和工件偏压脉冲单独工作(非协同)的模式，可以成功制备出厚度为1μm的四面体非晶碳膜(ta-C)。但膜层生长过程中持续积累的固有应力，仍限制了膜层厚度的继续增加。成膜过程中离子的轰击夯实作用，是膜层固有应力形成的最主要原因。阴极弧工作原理是阳离子鞘层与靶材阴极之间形成的高电场持续诱导电子发射，并离化鞘层内蒸发的碳原子。该过程需要离化的Ar⁺离子维持稳定放电，然而Ar⁺离子在工件偏压脉冲形成的电场作用下会持续高速轰击工件表面，致使松散的碳原子被夯实，导致应力积累。因此，提出一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的放电模式。工件偏压脉冲为多段式双极性脉冲，正向多段脉冲脉宽0-5000μs可调，峰值电压1000V，优先工作排斥Ar⁺离子，有效地减少了Ar⁺离子对膜层的轰击夯实作用。负向多段脉冲偏压脉宽0-5000μs可调，峰值电压-2000V。脉冲阴极弧多段脉冲，脉宽0-5000μs可调，弧流包含直流50A耦合脉冲峰值电流2000A。二者保持同频和同脉宽协同工作，通过优先工作的工件正向多段偏压脉冲，减小Ar⁺离子对膜层的轰击夯实作用，有效地抑制了膜层的应力积累。

本实施方式提出一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的放电模式，利用工件正向多段偏压脉冲排斥Ar⁺离子，减少Ar⁺离子对膜层轰击夯实作用，同时多段脉冲模式有效地控制了膜层温度，之后利用负向多段偏压脉冲与脉冲阴极弧多段正向脉冲同频/同脉宽协同工作，实现厚的ta-C碳膜沉积。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中先对工件基体6依次进行抛光、清洗和烘干。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是工件基体6的材质为M2高速钢、Ti6Al4V、WC或者SUS304不锈钢。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一在工件基体6上沉积Ti打底层。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是在工件基体6上沉积Ti打底层的方法如下：

a、将工件基体置于真空室中，抽真空，向真空室中通入氩气，保持真空室气压为0.4-10Pa，利用Ti靶作为清洗源进行弧光清洗，然后利用氩气进行等离子体增强的辉光放电清洗，得到辉光清洗后的工件基体；

b、维持真空室气压为0.4-10Pa，开启Ti靶电源，在辉光清洗后的工件基体上沉积Ti打底层，得到带有Ti打底层的工件基体。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤a中弧光清洗过程为：保持真空室气压为1.2Pa，开启Ti靶电源，Ti靶电流70A，工件基体偏压设置为-950V，进行弧光清洗，清洗时间10min。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤a中辉光放电清洗过程为：保持真空室气压为1.2Pa，开启Ti靶电源，Ti靶电流70A，辅助阳极电流55A，工件基体偏压设置为-200V，进行辉光清洗，清洗时间15min。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤b中维持真空室气压为1.2Pa，开启Ti靶电源，Ti靶电流80A，工件基体偏压设置为-150V，沉积Ti打底层，沉积时间5～15min。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是步骤二中控制短脉冲的峰值电压为800～1000V，预留20μs平台区，再施加工件偏压脉冲的负向偏压脉冲。

本实施方式预留平台区是为了防止因为正反向转换造成元件短路。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤二中在每个放电周期，工件偏压脉冲中先施加多段正向短脉冲，每个正向短脉冲的脉宽为20～40μs，正向短脉冲的峰值电压为800～1000V，工件偏压脉冲的负向脉冲的峰值为-800～-1200V，脉冲阴极弧正向脉冲的峰值为400～800A。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的步骤二中沉积ta-C碳膜的厚度为0.2～20μm。

本实施方式能够实现超过3.5μm厚ta-C碳膜的沉积。

实施例一：本实施例脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法按照以下步骤实施：

步骤一、基体前处理：

将M2高速钢进行抛光处理，然后进行清洗和烘干，将烘干的试样置于真空室内，抽真空；

步骤二、弧光清洗：

向真空室中通入氩气，保持真空室气压为1.2Pa，利用Ti靶作为清洗源进行弧光清洗，Ti靶电流为70A，基体脉冲偏压为-950V，得到弧光清洗后的试样；

步骤三、弧增强辉光清洗：

Ti靶前20cm处放置不锈钢挡板，弧增强辉光清洗过程中，将挡板打开并开启Ti靶侧面的辅助阳极，辅助阳极电流为55A，通过辅助阳极对Ti靶产生电子的吸引作用，离化更多的氩气，起到增强等离子体密度的作用，得到增强辉光清洗的试样；

步骤四、Ti打底层制备：

维持真空室气压为1.2Pa，Ti靶电流80A，工件试样偏压设置为-150V，在M2高速钢基体上沉积Ti打底层，沉积时间6min，得到带有Ti打底层的试样；

步骤五、ta-C沉积：

脉冲阴极弧和工件偏压脉冲非协同控制(脉冲阴极弧和工件偏压脉冲非协同工作，且不施加正向短脉冲)：控制真空室气压为0.15Pa，关闭Ti靶电源，开启与石墨靶材相连的脉冲阴极弧电源，脉冲阴极弧电源供给在石墨靶材表面的平均电流为80A，其中直流端输出电流为50A，脉冲端平均输出电流30A(脉冲端峰值电流为500A)，每个周期中工件偏压脉冲的负向脉冲峰值电压为-1000V，进行ta-C沉积。

脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的工作模式：脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的工作模式选择与上述非协同控制相同的参数，不同的是，在工件偏压脉冲工作过程中每个周期先施加两个脉宽为30μs的正向短脉冲，正向短脉冲的峰值电压为1000V，预留20μs平台区，工件偏压脉冲的负向脉冲工作的同时，脉冲阴极弧正向脉冲开始工作，且工件偏压脉冲负向脉冲与脉冲阴极弧正向脉冲的频率和脉宽相同，其中每个周期中工件偏压脉冲的负向脉冲峰值电压为-1000V，进行ta-C沉积。

本实施例步骤五中在ta-C沉积过程中，工件偏压脉冲间歇工作(期间脉冲阴极弧电源正常工作)以减少碳膜应力，即施加工件偏压脉冲1min(-1000V)，沉积1min后冷却4min，关闭工件脉冲偏压电源(0V)3min，沉积3min后冷却8min，之后再施加工件偏压脉冲1min，关闭工件脉冲偏压电源3min，每个沉积步骤之后都伴有相应的冷却过程，交替进行共沉积70min(有效沉积时长)。

本实施例采用脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的工作模式，沉积厚度可达3.5μm的非晶碳膜(ta-C)，且薄膜表面光亮无裂纹。目前的结果表明，通过脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的工作模式仍然可以继续增加沉积时间，继续增加沉积ta-C碳膜的厚度。

在步骤六工艺过程中，使用Tektronix公司生产的TDS1012B-SC型示波器对基体偏流进行采集。使用的电源为脉冲增强电子发射电源，基体偏流是脉冲波形，为了更加准确的表达相同时间内基体上接收离子的多少，利用式

计算得到基体平均偏流值。式中I_sub为每个周期内的基体平均偏流，I为在t时刻的基体瞬时电流，T为脉冲周期。从式中可知，平均基体偏流大小等于基体偏流的积分面积与积分周期的比值，反映了该时间段内到达基体表面的离子数量的多少。

步骤六中，利用示波器测试得到了脉冲阴极弧和工件偏压电源单独工作(非协同)条件下的基体平均偏流曲线，如图5中a曲线所示。控制脉冲峰值电流为500A，频率由360Hz减小到290Hz，相应的脉宽由260μs增加到310μs。图5a结果表明，脉宽由260μs增加到290μs过程中，对应的I_sub由520mA增加到578mA，增幅为11.15％。然而，当脉宽由290μs增加到310μs时，对应的I_sub由578mA增加到749mA，增幅为29.58％。说明在长脉宽条件下，产生的离子更多，基体上接收到的离子数量增加。而基体接收到的离子包括Ar⁺离子和C⁺离子，由于真空室气压维持在0.15Pa，氩气流量很低，因此Ar⁺离子的量变化不大，那么长脉宽条件下I_sub的增加，主要是源于脉宽增加引起的C⁺量的增加。换句话说，在短脉宽工作条件下，优先产生了Ar⁺离子，随着脉宽的增加，离化的C⁺离子量匹配了长脉宽条件下I_sub的增加。然而，制备厚的ta-C碳膜的最主要限制因素就是轰击夯实作用下的应力积累。因此，通过本实施例提出的一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的制备方法，通过正向偏压脉冲的排斥作用，可以有效地减少Ar⁺离子对膜层的轰击夯实作用，实现制备厚的ta-C碳膜的目的。脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的基体平均偏流结果如图5中b曲线所示。结果表明，基体上接收到的I_sub减少，说明通过本发明提出的一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的制备方法，有效地减少了到达基体的Ar⁺离子的量，降低了Ar⁺离子对膜层的轰击夯实作用。

在步骤六中，本实施例所使用的光谱仪为荷兰Avantes公司生产的Avaspec-2048型光谱仪，探测波长范围为300～800nm，每次曝光时间为1364ms，平均积分次数8。

本实验测量光谱强度可表示为：

其中K——统计常数；

k——玻尔兹曼常数；

T——等离子体温度；

hυ——光子能量；

A_mn——跃迁几率(s^-1)。

由式可知，谱线强度越高，其所对应的粒子数量越多。图6为步骤六工艺过程中测试的放电光谱信息。控制脉冲峰值电流为500A，频率由360Hz降低到290Hz，相应地脉宽由260μs增加到310μs。结果表明，激发态的Ar*的峰位于425.9nm处，Ar⁺的峰位于434.8nm处。同时，分别在588.9nm和658.3nm处，得到了激发态C和C⁺的峰。通过对峰强度的分析结果可知，Ar*和Ar⁺的峰强度由360Hz/260μs的1203和2222分别增加到290Hz/310μs的2762和3100，随着脉宽的增加Ar*和Ar⁺的峰强度变化不大。然而，当对石墨靶材施加长脉宽时，也就是工作脉宽由260μs增加到310μs时，激发态的C峰强度由1688增加到2434，离化的C⁺峰强度由2756增加到10474。其中，脉宽由260μs增加到290μs过程中，C⁺的峰强度由2756增加到4829，增幅为75.2％。脉宽由290μs继续增加到310μs过程中，C⁺的峰强度由4829增加到10474，增幅为116.9％。分析实验结果表明，当脉宽增加时，离化的C⁺离子的量明显增加，而由于低气压沉积条件下的低氩气流量(0.15Pa/20sccm)，导致Ar*和Ar⁺的峰强度变化不大。因此，脉宽的增加离化的C⁺离子的量增加，说明C⁺离子主要集中在长脉宽脉冲后段，而短脉宽条件下主要是以Ar*和Ar⁺为主。根据以上结果，本发明提出的一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的工作模式，通过优先工作的多段正向偏压脉冲排斥Ar⁺离子，减少Ar⁺离子的轰击夯实作用，有效地降低了ta-C碳膜的固有应力，达到沉积厚的ta-C碳膜的目的。

图7为步骤六工艺过程中测试的放电光谱中各粒子的强度比。控制脉冲峰值电流为500A，频率由360Hz降低到290Hz，相应地脉宽由260μs增加到310μs。结果表明，激发态的Ar*的峰位于425.9nm处，Ar⁺的峰位于434.8nm处。同时，分别在588.9nm和658.3nm处，得到了激发态C和C⁺的峰。根据不同频率/脉宽条件下对应的Ar⁺、C和C⁺的强度，分别计算了C⁺强度在激发态C和C⁺中的占比，表达式为I_C ⁺/I_C+I_C ⁺；C⁺强度与Ar⁺强度之比，表达式为I_C ⁺/I_Ar ⁺；Ar⁺强度在激发态C和C⁺中的占比，表达式为I_Ar ⁺/I_C+I_C ⁺。结果表明，I_C ⁺/I_C+I_C ⁺和I_C ⁺/I_Ar ⁺随脉宽的增加而增加，而I_Ar ⁺/I_C+I_C ⁺随脉宽的增加而减小。说明随着脉宽的增加，离化的C⁺逐渐增加，而Ar⁺的增加量变化不大，这也与图6中各峰的光谱强度值对应。同时，脉宽由260μs增加到290μs时，I_C ⁺/I_Ar ⁺曲线的斜率要明显小于脉宽由290μs增加到310μs段的斜率。通过计算也能得到相同的规律，其中I_C ⁺/I_Ar ⁺由260μs的1.24增加到290μs的1.73，增幅为39.6％，而脉宽由290μs时的1.73增加到310μs时的3.38，增幅为95.2％。由于低气压沉积条件下的低氩气流量(0.15Pa/20sccm)，Ar⁺离子的强度在整个沉积过程中变化不大，那么I_C ⁺/I_Ar ⁺随脉宽的增幅提高，说明C⁺离子的量在长脉宽后段增加的非常明显，也就是说短脉宽条件下Ar⁺离子的量占据主导，而随着脉宽的增加，离化的C⁺离子急剧增加。而Ar⁺离子不参与成膜，但其所带来的轰击夯实作用，是导致膜层应力积累的主要原因。因此，根据以上结果，本发明提出一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的工作模式，通过优先工作的多段正向脉冲排斥Ar⁺离子，减少Ar⁺离子对膜层的轰击夯实作用，有效地降低了ta-C碳膜的固有应力，以达到沉积厚的ta-C碳膜的目的。

图8和9为沉积ta-C碳膜的截面电镜图；其中图8代表脉冲阴极弧/工件偏压脉冲非协同工作模式下沉积ta-C碳膜的截面电镜图，图9代表脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制工作模式下沉积ta-C碳膜的截面电镜图。对比了脉冲阴极弧/工件偏压脉冲非协同工作模式和协同工作模式条件下，沉积的ta-C碳膜的厚度。脉冲阴极弧电源供给在石墨靶材表面的平均电流为80A，其中直流端输出电流为50A，脉冲端平均输出电流30A(脉冲端峰值电流为500A)，两种工作模式都选择长脉宽参数，既290Hz/310μs进行ta-C沉积。工件偏压脉冲间歇工作(期间脉冲阴极弧电源正常工作)以减少碳膜应力，即施加工件偏压脉冲沉积时间为1min，沉积偏压选择-1000V，关闭工件脉冲偏压电源沉积3min，然后再施加工件偏压脉冲1min，关闭工件脉冲偏压电源3min，交替进行共沉积70min。其中，脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制工作模式沉积条件下，在工件偏压脉冲工作过程中每个周期先施加两个脉宽为30μs的正向短脉冲，以起到排斥Ar⁺离子的目的，工件偏压负向脉冲与脉冲阴极弧正向脉冲保持同频率和同脉宽协同控制工作。结果表明：脉冲阴极弧/工件偏压脉冲非协同工作模式下沉积的ta-C碳膜厚度约为1μm，而脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制工作模式下沉积的ta-C碳膜厚度约为3.5μm。厚度增加了约3.5倍，并且膜层表面光亮完整无开裂，表明膜层的厚度完全可以继续增加。因此，通过提出的一种脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的工作模式，可以有效地减少Ar⁺离子带来的轰击夯实作用，降低了膜层内的应力，极大地增加了薄膜的厚度，为制备厚的ta-C碳膜和解决其高的固有应力提供了新的途径。

Claims (10)

1.脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法，其特征在于该沉积厚的四面体非晶碳膜的方法按照以下步骤实现：

一、将工件基体置于真空室中，真空室内设置有石墨阴极靶材，石墨阴极靶材与脉冲阴极弧电源的输出端连接，脉冲阴极弧电源包括直流端和脉冲端两个输出端口，通过直流端输出电流稳定弧斑运行，并通过脉冲端输出脉冲电流，工件基体与工件脉冲偏压电源的脉冲输出端连接，工件脉冲偏压电源施加工件偏压脉冲；

二、将真空室抽真空，然后向真空室中通入氩气，通过脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制放电模式沉积ta-C碳膜；其中所述脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制放电模式是在每个放电周期，工件偏压脉冲中先施加多段正向短脉冲，每个正向短脉冲的脉宽为20～40μs，正向短脉冲的峰值电压为500～1500V，工件偏压脉冲的负向脉冲工作的同时，脉冲阴极弧正向脉冲开始工作，且工件偏压脉冲负向脉冲与脉冲阴极弧正向脉冲的频率和脉宽相同。

2.根据权利要求1所述的脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法，其特征在于步骤一中先对工件基体依次进行抛光、清洗和烘干。

3.根据权利要求1所述的脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法，其特征在于步骤一在工件基体上沉积Ti打底层。

4.根据权利要求3所述的脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法，其特征在于在工件基体上沉积Ti打底层的方法如下：

a、将工件基体置于真空室中，抽真空，向真空室中通入氩气，保持真空室气压为0.4-10Pa，利用Ti靶作为清洗源进行弧光清洗，然后利用氩气进行等离子体增强的辉光放电清洗，得到辉光清洗后的工件基体；

b、维持真空室气压为0.4-10Pa，开启Ti靶电源，在辉光清洗后的工件基体上沉积Ti打底层，得到带有Ti打底层的工件基体。

5.根据权利要求4所述的脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法，其特征在于步骤a中弧光清洗过程为：保持真空室气压为1.2Pa，开启Ti靶电源，Ti靶电流70A，工件基体偏压设置为-950V，进行弧光清洗，清洗时间10min。

6.根据权利要求4所述的脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法，其特征在于步骤a中辉光放电清洗过程为：保持真空室气压为1.2Pa，开启Ti靶电源，Ti靶电流70A，辅助阳极电流55A，工件基体偏压设置为-200V，进行辉光清洗，清洗时间15min。

7.根据权利要求4所述的脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法，其特征在于步骤b中维持真空室气压为1.2Pa，开启Ti靶电源，Ti靶电流80A，工件基体偏压设置为-150V，沉积Ti打底层，沉积时间5～15min。

8.根据权利要求1所述的脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法，其特征在于步骤二中控制短脉冲的峰值电压为800～1000V，预留20μs平台区，再施加工件偏压脉冲的负向偏压脉冲。

9.根据权利要求1所述的脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法，其特征在于步骤二中在每个放电周期，工件偏压脉冲中先施加多段正向短脉冲，每个正向短脉冲的脉宽为20～40μs，正向短脉冲的峰值电压为800～1000V，工件偏压脉冲的负向脉冲的峰值为-800～-1200V，脉冲阴极弧正向脉冲的峰值为400～800A。

10.根据权利要求1所述的脉冲阴极弧/工件偏压脉冲协同控制的沉积厚的四面体非晶碳膜的方法，其特征在于步骤二中沉积ta-C碳膜的厚度为0.2～20μm。

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