载能离化原子团束辅助化学气相沉积制备DLC薄膜的方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种载能离化原子团束辅助化学气相沉积制备DLC薄膜的方法及其系统，以无机或者有机基板作为基底，在薄膜沉积之前，利用载能离化原子团束对基底进行溅射清洗、活化和平坦化处理；采用PECVD的方法在基板表面沉积DLC薄膜，同时利用载能离化原子团束对沉积的DLC薄膜进行轰击，获得高度致密的DLC薄膜。采用这种方法大大提高了DLC薄膜的致密度、耐磨性、硬度和膜/基结合力。本发明专利技术工艺易于控制，可应用于在各种工具和部件的表面镀制类金刚石薄膜。

Method and system for preparation of DLC thin film by chemical vapor deposition assisted atomic cluster beam

The invention discloses a carrier method for preparing DLC film of ionized cluster beam assisted chemical vapor deposition and system with inorganic or organic substrate as the substrate, the thin film deposition before using energetic ionized cluster beam sputtering on the substrate cleaning, activation and planarization processing; using PECVD method DLC thin film was deposited on the substrate surface, and the load can be ionized cluster beam deposition of DLC thin films are bombarded highly dense DLC films. The density, wear resistance, hardness and film / base bonding force of DLC film are greatly improved by this method. The invention is easy to control and can be applied to the plating of diamond like films on the surface of various tools and parts.

【技术实现步骤摘要】
载能离化原子团束辅助化学气相沉积制备DLC薄膜的方法及其系统
本专利技术涉及一种类金刚石薄膜的制备方法及其装置，特别是涉及一种化学气相沉积制备DLC薄膜的方法及其装置，应用于纳米晶复合结构薄膜制备

技术介绍
碳材料在人类的发展过程中起到了重要的作用，碳材料的广泛应用促进了工业的快速发展。进入20世纪，特别是20世纪50年代以后，在世界科技大发展的背景下，相继出现了碳纤维及其复合材料，金刚石，碳分子及碳微球，碳纳米管，石墨烯等。这些新型的碳材料的特性几乎可以涵盖地球上所有物质的性质甚至是相对立的两种性质，如从最硬到极软，从全吸光到全透光，从绝缘体到半导体再到超导体，从绝热到良导热，从顺磁到铁磁，从超低摩擦系数到超高摩擦系数，从表面超亲水到超疏水等。在众多的碳材料中，类金刚石薄膜以其优异的性能引起世界范围的广泛研究热潮。类金刚石薄膜主要是由金刚石结构的sp3杂化碳原子和石墨结构的sp2杂化碳原子相互混杂的三维网络构成，通常为非晶态或非晶－纳米晶复合结构。类金刚石碳基薄膜具有高的硬度，优异的减摩抗磨性能，高热导率，低介电常数，宽带隙，良好的光学透过性以及优异的化学惰性和生物相容性，在航空航天，机械，电子，光学，装饰外观保护，生物医学等领域具有广阔的应用前景。化学气相沉积过程包括以下三个共通要素：①一种或者几种化学反应气体或者液体的蒸汽；②促进气体发生化学反应的热源；③真空系统，用于保持特定的压强，并及时排出化学反应的副产物。而等离子体增强型化学气相沉积PECVD则引入了第四个要素：等离子体。等离子体的能量作用使得化学气相沉积反应可以在较低的基板温度下以较高的速度生长薄膜。PECVD是众多化学气相沉积技术中的一种，它综合运用了辉光等离子体放电和化学气相沉积工艺来生长固体薄膜。在PECVD生长薄膜过程中，可以通过调节工艺参数方便地控制薄膜厚度和微观结构，以获得厚度和性能均匀，致密性和稳定性好的薄膜。PECVD由于具有沉积温度低、绕射性好等优点而成为最常用的制备DLC薄膜的方法之一。在气体放电等离子体中，由于低速电子与气体原子碰撞，除了产生正、负离子外，还会产生大量的激发原子、分子等活性基，从而大大增强反应气体的活性。这些活性组分之间容易发生化学反应，并且在生成反应产物的同时放出反应热。因此，PECVD工艺过程的低压非平衡等离子体中，高能粒子为源物质粒子提供了能量，不需要额外加热便可以促使化学反应的发生，从而降低了宏观的化学反应温度，使本来难以发生或者反应速度很慢的化学反应进行成为可能，这也就是能在低温下实现高温反应的根本原因。PECVD工艺的优点主要有以下四点：1.可以极大地降低基板温度。特别是当基板中含有不耐高温的材料时，等离子增强尤为必要；2.由于等离子体可以大大提高反应气体的离化率，反应所需要的气体总量就可以相应地减少，这样既减少了高纯原料的消耗，降低了成本，又可以减少废气的排放量；3.能够明显提高薄膜的沉积速率；4.能够明显提高薄膜的质量，包括薄膜厚度的均匀性和性能的一致性等。根据等离子体激发源的不同，常见的PECVD技术有：直流辉光放电法，射频辉光放电法，电子回旋共振(ECR)化学气相沉积等。近年来又出现了沉积速率高且沉积面积大的双射频-直流辉光放电(RF-DC)法，微波-射频(MW-RF)辉光放电法，电子回旋共振-射频(ECR-RF)法等。在此，作为PECVD法制备DLC薄膜的应用，申请号为CN201010246958.0的专利文献公开了利用PECVD法在PC树脂上沉积DLC薄膜；申请号为CN201210398578.8的专利文献公开了利用PECVD法在柔性晶体管上沉积碳氢聚合物的薄膜，以达到绝缘效果；申请号为CN201410671812.9的专利文献公开了利用PECVD法直接将DLC薄膜沉积在铝基板上；申请号为CN201510456355.6的专利文献公开了利用PECVD技术大面积制备DLC薄膜的一种生产方式；申请号为CN201310157257.3的专利文献公开了利用PECVD法制备了0.01-0.05um的DLC薄膜作为抗变色耐磨复合薄膜的一层。单纯PECVD技术生长DLC薄膜，其涂层生长速度为几百纳米-微米/小时。由于PECVD采用低温生长工艺，其沉积速度过快会导致薄膜结构疏松引起硬度偏低，同时薄膜与基底的结合力较弱。在真空镀膜领域，使用离化后的单个原子在电场加速下所形成的载能离子束来辅助成膜或直接参与薄膜生长是一种常规技术。在该载能离子束辅助作用下，可以在基底材料表面获得具有较强附着力和较高致密度的涂层。但是在这种常规载能离子束的轰击过程中，由于载能离子的体积只相当于单个原子的体积大小，而且离子的运动速度较高，那么不可避免地会发生高速离子的注入现象和再溅射现象。前者意味着载能离子被射入到薄膜内部深处，导致薄膜中出现较高密度的杂质和微结构缺陷；后者指的是载能离子与薄膜的表面原子发生碰撞，使得薄膜表面的原子离开薄膜，这导致薄膜的生长速度减慢和原料损失。近几十年来，在常规离子束的基础上，人们探索性地提出用载能离化原子团来代替单个离子。离化原子团的最初研究始于20世纪70年代用于纳米加工，从惰性气体原子团，如Arn，n＝1000-3000，贵金属原子团到分子团，如B18H24,再到1985年发现的分子C60,离化原子团的独特结构及其奇异的电学、磁学、光学性质及化学反应特性相继被发现，引起了多种学科的共同关注，载能离化原子团的研究成为多种学科的交汇点，也成为不同学科间的桥梁和纽带。目前，关于载能离化原子团的研究还主要集中于离化原子团的形成机理和作用机制研究，并在此基础上尝试把该技术应用于半导体超浅结、材料表面平坦化，超薄纳米材料制备领域。经查询，目前还没有见到利用载能离化原子团束来制备DLC薄膜的致密性强化技术的相关报导，但是已有利用载能离化原子团束进行刻蚀工艺与其他相关工艺。申请号为CN201510131248.6的专利文献公开了一种无卤素的气体团簇离子束刻蚀工艺去除部分厚度的铜金属层；CN201480073422.X的专利文献公开了一种用于执行各种材料的气体团簇离子束(GCIB)蚀刻处理的方法和系统；申请号为CN201410172010.3的专利文献公开了一种制备FinFIET器件中团簇离子束的作用；申请号为CN201480023532.5的专利文献公开了一种用于处理基板表面的方法使用源自气体团簇离子束的中性射束辐照以及由此产生的包括光刻光掩膜基板的制品。所谓的离化原子团就是先形成以成百上千个原子所组成的原子团，再电离该原子团来获得离化原子团。在这个思路的基础上，人们作了很多尝试，由此发展出离化原子团束镀膜技术和表面改性技术。离化原子团束技术的要点就是大幅度增加了载能离子的质量，在赋予载能离子相同动能的条件下，因为原子团的离子质量远远高于单原子离子质量，所以前者的运动速度远远小于后者的速度。因此，低速和大体积的离化原子团不会注入到薄膜内部，而只会对其表层区域发生作用，这就减少了薄膜内的杂质和缺陷。这使得离化原子团能应用还主要局限于材料表面平坦化等表面改性工艺，但还没有见到利用载能离化原子团束来制备DLC薄膜的致密性强化技术的相关报导。但实际情况是，克服现有的PECVD技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种载能离化原子团束辅助化学气相沉积制备DLC薄膜的方法，其特征在于：利用载能离化原子团束轰击化学气相沉积法生长的DLC薄膜，所述载能离化原子团束的轰击DLC薄膜与化学气相沉积DLC薄膜同时进行或交替进行，同时通过调节PECVD成膜的功率，从而制备得到致密的DLC薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种载能离化原子团束辅助化学气相沉积制备DLC薄膜的方法，其特征在于：利用载能离化原子团束轰击化学气相沉积法生长的DLC薄膜，所述载能离化原子团束的轰击DLC薄膜与化学气相沉积DLC薄膜同时进行或交替进行，同时通过调节PECVD成膜的功率，从而制备得到致密的DLC薄膜。2.根据权利要求1所述载能离化原子团束辅助化学气相沉积制备DLC薄膜的方法，其特征在于：在进行PECVD沉积DLC薄膜之前，将载体基材进行清洗并干燥，然后用载能离化原子团束轰击载体基材表面，对载体基材的表面进行溅射清洁、活化和平坦化预处理。3.根据权利要求1或2所述载能离化原子团束辅助化学气相沉积制备DLC薄膜的方法，其特征在于：利用载能离化原子团束的轰击DLC薄膜时，所述形成离化原子团束的气体为Ar、N2和含碳类的气体中的任意一种气体或任意几种的混合气体；进行PECVD沉积DLC薄膜时，所述参与化学气相反应的气体为烷、烯和炔类的气体中的任意一种气体或任意几种的混合气体。4.根据权利要求4所述载能离化原子团束辅助化学气相沉积制备DLC薄膜的方法，其特征在于：利用载能离化原子团束的轰击DLC薄膜时，作为所述形成离化原子团束的气体的所述含碳类气体包括CO2、CH4和C2H2；进行PECVD沉积DLC薄膜时，所述参与化学气相反应的气体为CH4和C2H2中的任意一种气体或两种的混合气体。5.根据权利要求1或2所述载能离化原子团束辅助化学气相沉积制备DLC薄膜的方法，其特征在于：所述载体基材采用单晶硅、玻璃、不锈钢、金属铝，镁铝合金、有机玻璃、BT、PPE或PET材料制成。6.根据权利要求1或2所述载能离化原子团束辅助化学气相沉积制备DLC薄膜的方法，其特征在于：对所述载能离化原子团束施加的加速电压为500V-20kV；进行PECVD沉积DLC薄膜时和利用载能离化原子团束的轰击DLC薄膜时，设置基板温度为25-250℃，镀膜过程中保持真空室压强范围为0.5-1.5Pa。7.根据权利要求6所述载能离化原子团束辅助化学气相沉积制备DLC薄膜的方法，其特征在于：对所述载能离化原子团束施加的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈益钢，黄凯，秦文斌，陈安瑞，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31