類金鋼石薄膜材料的制備方法
2022.01.12類金鋼石是碳的一種非晶態(tài)，它含有大量SP3鍵和部分SP2鍵，由于金鋼石或SP3鍵合碳在熱力學(xué)上是亞穩(wěn)相，由SP2鍵轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>SP3鍵存在較大的激活勢壘，因化合成DLC薄膜需要非平衡態(tài)的過程以獲得非平衡態(tài)的SP3鍵合碳。最早合成DLC的方法是采用CH4為源氣體的低溫化學(xué)沉積方法?，F(xiàn)階段DLC 的合成方法可分為兩類：化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。前者主要有離子束輔助沉積、離子體(直流和射頻)輔助沉積、微波放電等；后者主要有陰極電弧沉積、濺射沉積等。
1、離子束沉積DLC薄膜
在Ar的等離子體中，通過濺射碳電極產(chǎn)生碳離子，在偏壓的作用下將離子萃取出來并導(dǎo)引到基片。該方法的優(yōu)點是工藝容易控制；產(chǎn)生的離子束能量在較窄的范圍內(nèi)分布而且具有特定的方向性；在沉積過程中，具有幾到幾千電子伏特能量的離子撞擊生長膜的表面導(dǎo)致亞穩(wěn)相的產(chǎn)生。
離子束沉積有兩種類型，第一種為直接離子束沉積，組分、能量和流量均可控的離子束直接射向基片，撞擊離子同時提供沉積原子和轟擊粒子，轟擊效果可改善薄膜質(zhì)量。第二種為離子束輔助沉積，氣體離子源提供非平衡離子能量，離子束提供改善薄膜形成的轟擊能量。該技術(shù)可保持高真空狀態(tài)和離子能量的不降低，使基片污染大大降低。
2、陰極電弧沉積
從陰極電弧發(fā)射出來的離子流與靶成分密切相關(guān)，并具有較高的能量，處于激發(fā)態(tài)。高密度的陰極電流引起陰極材料劇烈發(fā)射，大多數(shù)發(fā)射物在與陰極點有關(guān)的等離子體中被離化。對于碳陰極，發(fā)射物主要是C+離子，能量在幾十電子伏特?，F(xiàn)階段改進(jìn)的電弧技術(shù)為過濾陰極電弧技術(shù)，在該技術(shù)中，中性料子和大粒子從等離子束流中被清除出來，只有荷電離子及簇團(tuán)達(dá)到出口并沉積到基片上，該方法制備的DLC膜具有高硬度、高密度的特點。
3、濺射沉積
使用能量為1keV的Ar+離子束濺射石墨靶，濺射出來的碳原子沉積到基片上，為生長薄膜提供轟擊的Ar+離子束可促進(jìn)SP3鍵的形成，但同時使薄膜存在較大內(nèi)應(yīng)力。
4、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積
等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（PECVD）是制備DLC最普通的方法。是通過碳?xì)浠衔餁庠吹纳漕l等離子體沉積，且需在基片上施加負(fù)偏壓。
在反應(yīng)過程中，反應(yīng)氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入爐腔，逐漸擴(kuò)散至樣品表面，在射頻源激發(fā)的電場作用下，反應(yīng)氣體分解成電子、離子和活性基團(tuán)等。這些分解物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成形成膜的初始成分和副反應(yīng)物，這些生成物以化學(xué)鍵的形式吸附到樣品表面，生成固態(tài)膜的晶核，晶核逐漸生長成島狀物，島狀物繼續(xù)生長成連續(xù)的薄膜。在薄膜生長過程中，各種副產(chǎn)物從膜的表面逐漸脫離，在真空泵的作用下從出氣口排出。
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