利用射频PECVD方法生长类金刚石薄膜的实验研究

【摘要】： 本文采用射频PECVD方法,以C4H10(或CH4)和Ar为气源在不锈钢、玻璃和硅片等基底上制备出大面积类金刚石薄膜。使用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、激光拉曼光谱(Raman)和付立叶变换红外光谱(FT-IR)等研究手段对样品形貌和结构进行了表征;利用显微硬度计、划痕仪和摩擦磨损试验机等对DLC薄膜的机械和摩擦学特性进行了研究,得到了摩擦性能随沉积参数和实验条件的变化规律,对DLC膜的自润滑机制和磨损机理进行了探索。 在电容耦合的射频PECVD系统中,等离子体鞘层作用的结果会在阴极板上产生自偏压,有利于碳离子沉积形成类金刚石膜;借助所设计的中间过渡层Ti/TiN/TiC,在不锈钢上成功沉积了一定厚度的DLC膜,膜与基底的结合力较好;通过优化工艺参数,可以成功地在玻璃、硅片等基底上沉积DLC膜,扩大用射频PECVD工艺沉积类金刚石膜的适用范围。 对不锈钢上沉积的DLC膜作SEM分析,发现薄膜由均匀的颗粒组成,粒径大约为400nm左右;X射线衍射分析表明,所镀DLC膜为非晶碳膜,在XRD谱图中出现了TiN、TiC的衍射峰,说明薄膜表面可能会有微小的缺陷;样品的SEM侧面形貌分析表明,薄膜与基体结合良好,没有出现开裂、分离的情况;AFM分析发现DLC膜明显比基底平整,亮区增加了,岛状颗粒数目明显增多,薄膜的致密性增强,说明了非晶膜的生长机制是大量非晶纳米相结构的聚集,证实了类金刚石薄膜沉积时大颗粒活性粒子的关键作用。 对硅片、玻璃上所沉积DLC膜作FT-IR光谱分析,表明薄膜样品的碳原子主要以sp~3的组态存在;XPS全谱分析表明膜的主要组成元素为碳,还含有少量的氧及微量的Ni和N。