掺杂类金刚石薄膜的研究(3)

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1.3.1 溅射沉积

溅射沉积是工业生产DLC膜的常用手段。通过直流或者射频方式利用氩离子(Ar )溅射石墨电极，溅射出的碳原子的能量分布依溅射离子的能量和种类而不同，这些碳原子在基体上沉积DLC膜。由于直接溅射石墨的产额较小，通常用磁控溅射的方法来提高膜的沉积速率。该方法的缺点是离子相对于中性粒子的比例不大，膜中sp3含量相对较小，膜面较为松散，硬度不高。

1.3.2 磁过滤真空弧沉积(FAD)技术

这是近年来发展起来的一种新型离子束薄膜制备方法。弧源中的触发电极和石墨阴极之间产生真空电弧放电，激发出高离化率的碳等离子体，采用磁过滤线圈过滤掉弧源产生的大颗粒和中性原子，可使到达衬底的几乎全部是碳离子，可以用较高的沉积速率制备出无氢DLC膜。有研究结果表明采用FAD技术可以获得sp3 键含量高达90％、硬度高达95GPa的无氢碳膜，其性质与多晶金刚石材料相近[12,13]。从应用的角度看，理想的方法应具有沉积温度低、面积大、速率高、沉积面平整光滑等特点，因而，FAD是目前较好的方法。不同工艺制备的DLC的成分、结构和性能相差很大。人们可选择不同制备方法，得到所需性能的DLC膜。

1.3.3 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）

化学气相沉积与物理气相沉积相比，一个突出的缺点就是沉积温度太高，容易导致工件晶粒长大和变形，从而应用受到限制。为了降低其工艺温度，PECVD发展起来[14]。等离子体增强化学气相沉积是利用等离子体激励促进的方法，使气态或蒸汽态的化学物质在衬底表面反应并沉积生成固态涂层的过程。在足够高真空度的环境中，外加电场或磁场激发稀薄反应气体，使之发生辉光放电，产生等离子体。由于电子容易在电磁场中加速，与中性分子或原子碰撞后，形成激发态分子、原子、游离态基等化学性质很活泼的新粒子，附着在基片上形成薄膜（如图1.2所示）。

图1.2圆平板电容耦合的PECVD装置

1—真空沉积室； 2—接地极板；3—基片；

4— 等离子体；5—接火线极板；6—接地屏蔽极板

1. 4 DLC薄膜的掺杂

虽然类金刚石薄膜拥有众多优良特性，但也存在一些内在的缺点，主要表现在其具有很高的内应力（高达几个GPa)，热稳定性不够好，使其适用范围受到了很大的限制。为了进一步改善其性能，人们纷纷展开了在类金刚石薄膜中掺入其他元素的研究，结果表明在类金刚石碳薄膜中掺杂某些元素( 如氮) 能够明显改善其性能[15]，来达到更加广泛的应用。掺杂的元素可以分为金属元素和非金属元素。金属元素主要包含Ⅳ- Ⅶ族元素中能与碳形成碳化物的一些金属，特别是Ti、Cr 和W[16]。非金属元素包含N、Si、B等，掺杂类金刚石膜可以优化纯类金刚石膜的很多性能。掺杂DLC 膜不仅在缓解薄膜应力方面具有良好的效果，而且还能改变薄膜的力学和摩擦磨损性能，电化学性能等。掺杂的元素不同，以及同种元素的不同含量，对于薄膜性质的影响也会有所不同。

如，利用新型中频对靶磁控溅射技术[17]，通过C 和Cr 靶的选择性溅射和共溅射，在M2 高速钢基体上合成具有多层梯度结构的含铬DLC 膜，膜层由基体至空气界面方向依次为：0.2μm 厚的Cr 膜、1μm 厚的CxCry过渡层和1μm 厚的DLC 膜。该膜的硬度高达32～46GPa。划痕试验测试结果表明，由于DLC 膜和钢基体之间界面性能不匹配和DLC 膜内应力高，纯DLC 膜结合力仅为16N；带有Cr 附着层的DLC 膜为60N，说明利用Cr 附着层可改善DLC 膜结合力；含有Cr 附着层和CxCry过渡层的DLC 膜具有最好的结合力，高达65N，说明CxCry过渡层对DLC 层有良好支持作用。这种多层梯度结构可减轻DLC 层和基体之间物理性能的不兼容性，有助于提高硬度和改善其结合力。文献综述