DLC薄膜制备和检测技术综述.doc

文献综述

DLC薄膜的制备和检测技术综述

学院光电学院
学科光学工程
学号1101210021
姓名薛俊

2013年6月18日

前言
20世纪70年代初,Aisenberg[1]和E.Gspenc[2]分别次采用离子束沉积技术(IBD)和碳气相离子束增强沉积(IBED)技术制备了绝缘碳膜，命名该膜为DLC[1]。20世纪70年代末，前苏联研制的DLC膜的硬度已经达到15000(维氏硬度)[3]。DLC薄膜具有生产工艺简单，性能优良等特点。20世纪80年代中期，在世界范围内掀起了研究、制备、开发和应用DLC膜的热潮。厚度为100μm、表面粗糙度<10nm的DLC膜己经被美国通用原子公司（GA）利用PECVD制造出来[3]。我国在制备DLC膜研究、应用方面也去得了长足的进展，不过与发达国家相比，差距还是存在的。现在DLC膜还有很多问题存在争议或尚未解决。这也问题严重制约了DLC膜的研究发展，现在，随着DLC制备技术的日益完善以及社会对DLC膜的需求量的增加，DLC膜的应用研究价值也日益凸显。
1DLC薄膜概况
1971年德国的Aisenberg采用碳离子束首次制备出了具有金刚石特征的非晶态碳膜,由于所制备的薄膜具有与金刚石相似的优异性能,Aisenberg于1973年首次把它称之为类金刚石(DLC)膜[1]。DLC膜有着和金刚石几乎一样的性质,如高硬度、耐磨损、高表面光洁度、高电阻率、优良的场发射性能,高透光率及化学惰性等,它的产品广泛应用在机械、电子、光学和生物医学等各个领域。尤其在光学领域，该技术在光学薄膜制造及其应用方面,突破了大面积、高均匀性、高透射比、抗激光兼容的红外减反射膜镀制关键技术,并在军事和民用上得以应用。DLC膜的沉积温度低、表面平滑,具有比金刚石膜更高的性价比,且在相当广泛的领域内可以代替金刚石膜,所以自80年代以来一直是研究的热点。
碳是类金刚石膜的主要成分。碳元素有3种同素异形体，即金刚石、石墨和各种无定形碳。碳原子按组成键的不同存在3种不同形态，即sP1、sp2和sp3。类金刚石膜（DLC）是一种碳原子之间以共价键键合的亚稳态的非晶体材料，其共价键主要含有sp2和sp3两种杂化方式，同时在含氢的类金刚石膜DLC中还存在一些C-H键。由于碳源和制备方法的不同，一些DLC薄膜中会含有一定量的H元素。因而DLC薄膜分为两大类――无氢DLC薄膜(简称a-Cfilms，非晶碳膜)和含氢DLC薄膜(简称a-c:Hfilms，含氢非氢碳膜)。这两大类薄膜中，sp3含量高于80%的a-c膜称为ta-c膜(四面体非晶碳膜)，sp3含量高于70%的a-C:H膜又称为ta-C:H膜(氢化四面体非晶碳膜)[4]。
2DLC薄膜的制备研究及发展
DLC膜的制备方法有多种，几乎所有用来制备金刚石膜的方法都可以用来制备DLC膜[5]，根据制备方法的不同大体上可以分为两大类即:物理气相沉积方法(PVD)和化学气相沉积方法(CVD)，详见表2.1。这些制备方法的共同特点是薄膜在生长过程中受到中等能量离子束的轰击。

表2.1各种气相沉积方法分类

2.1物理气相沉积DLC薄膜
(1)离子束沉积
离子束沉积是采用电弧蒸发石墨靶材或热丝电子发射烃类气体的方式，产生碳或者碳氢离子，然后通过电磁场加速并引向基底，使荷能离子沉积于基底表面，形成DLC薄膜。离子束沉积的主要工艺参数是离子束能，它决定成膜离子的能量，从而影响DLC薄膜的结构，通常离子束能量控制在100-1000eV之间[5]。Palshin等[6]以甲烷为气体源，在离子束能为750eV、束流2.5mA/cm2的条件下成功制备了高硬度(2900一3300kg/mm2)的DLC膜，结构分析认为制得的DLC膜是中程有序的三维网络结构。ho等人[7]针对离子束沉积常用的两种气体源(甲烷、苯)对薄膜的机械性能和光学性能的影响进行了探讨。从能量的角度出发，在相同束能的条件下，苯放电产生的碳原子的数量多于甲烷，因而每个碳原子的能量则相对较低(3~6倍)。因此与甲烷相比，为了获得相似性能的DLC膜，采用苯做气体源时需要较高的能量。
这种技术的特点是:工艺参数(离子束能)可控性好、沉积温度低、膜层sP3键含量高，但存在薄膜沉积速率低、膜层内应力大、允许最大膜厚小的问题。
离子束辅助沉积法(IBAD)是在离子束技术的基础上发展起来的，是指在真空热蒸发或离子束溅射沉积的同时，利用高能离子束轰击正在生长的膜层，然后通过动量转移，使得碳粒子获得合适的能量，以形成高质量的DLC薄膜。离子束辅助沉积是在离子束沉积基础上发展起来的一种辅助沉积方法，辅助离子束的束能通常在100-800eV之间[8]，它有利于膜基界面之间的结合，制备出均匀致密的薄膜。同时，离