一种SiNx中间层磁控溅射制备类金刚石膜的方法
【专利摘要】本发明公开了一种SiNX中间层磁控溅射制备类金刚石膜的方法。本发明是将衬底Si基片清洗处理后，先在基片表面形成一层缓冲层SiNX薄膜，然后以高纯碳靶作为靶材，Ar作为工作气体，在SiNX薄膜上形成类金刚石膜。本发明的制备工艺简单，重复性好，可在低温下沉积，节能且减小降温后膜的应力残余，防止膜层脱落；本发明的方法制得的类金刚石膜具有低内应力，膜层质量好，膜均匀致密等优点。
【专利说明】—种SiNx中间层磁控溅射制备类金刚石膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及类金刚石薄膜材料的制备【技术领域】，尤其涉及的是一种SiNx中间层磁控溅射制备类金刚石膜的方法。
【背景技术】
[0002]类金刚石膜(Diamond-LikeCarbon,简称DLC)是一种非晶碳膜,膜中的化学键主要是SP3键和SP2键。自1971年首次报道了用离子束沉积技术制备出类金刚石膜以来，因其具有的硬度高，摩擦系数小，耐磨损，电阻率高，化学稳定性好，红外透过率高，介电常数低，电绝缘强度高，生物相容性好，热膨胀系数低等特点，使其在机械、化学、光学、热学、电学等领域被广泛应用。
[0003]类金刚石膜主要缺点在于制备过程中产生的较大残余应力，使之难以与基体的变形相协调，而且这种力还会作用于基体，使基体发生形变，而且常用的等离子增强化学气相沉积方法沉积过程中不可避免地会在膜中引入氢，降低了膜的硬度。作为保护层，应尽量避免引入氢而导致膜硬度的降低，所以无氢类金刚石碳膜逐渐成为人们研究的热点，利用真空阴极弧法、脉冲激光法、质量分离离子束法和溅射沉积法等都能得到不含氢的膜，但前三种方法膜的应力高达lOGpa，严重限制了膜层的沉积厚度。另外传统的化学气相沉积(CVD)工艺多在高温下沉积，制备得到的类金刚石膜降温后有较大的残余应力，严重影响了膜的质量，且能耗较大不适合工业化生产。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术在制备类金刚石膜中存在的问题，提供了一种SiNx中间层磁控溅射制备类金刚石膜的方法。
[0005]本发明的技术方案`如下:
[0006]一种SiNx中间层磁控溅射制备类金刚石膜的方法，其步骤如下:
[0007](I)衬底的处理:用Si (100)基片作为衬底，先用丙酮在超声波清洗器中清洗20min，然后用酒精在超声波清洗器中清洗20min，经过N2吹干，沉积前用Ar离子轰击20min,放入派射室；
[0008](2)缓冲层SiNx的生长:靶材为Si，以N2为反应气体，Ar为工作气体，Ar发生电离形成Ar+，Ar+在电磁场作用下碰撞靶材，Ar+与靶材原子交换能量，靶材原子获得的能量大于金属逃逸功时，将离开靶材表面，与反应气体反应沉积在(I)中处理后的衬底表面形成薄膜；
[0009](3)类金刚石膜的生长:祀材采用高纯碳祀，Ar为工作气体，Ar发生电离形成Ar+，Ar+在电磁场作用下碰撞靶材，Ar+与靶材原子交换能量，靶材原子获得的能量大于金属逃逸功时，将离开靶材表面，并沉积在(2)中衬底表面形成的薄膜上，形成类金刚石膜。
[0010]所述的方法，步骤(2)中，靶材Si的纯度为99.999% ；N2流量为3.2sccm, Ar流量为35.2sccm ;射频溅射功率为160W，溅射时间为20min ;衬底温度为室温。[0011]所述的方法，步骤(3)中，碳靶纯度为99.999% ;Ar流量为35.2sccm ;直流溅射功率为1.6W，溅射时间为40min，衬底温度为室温。
[0012]本发明膜层制备工艺简单，重复性好，可在低温下沉积，节能且减小降温后膜的应力残余，防止膜层脱落，采用直流溅射法，避免了射频电源对人体和环境的危害，采用无氢方法避免了氢的引入对类金刚石膜三维网络结构的破坏。本发明的方法制得的类金刚石膜具有低内应力，膜层质量好，膜均匀致密等优点。本发明的简单的双层方法适合于工业规模化生产，适用于模具、切削工具、超集成电路、医用器械、光学组件、雷达、表面涂装、航空飞行器以及生物医疗材料等。
[0013]本发明的有益效果为:(I)本发明采用高真空磁控溅射系统制备了高质量类金刚石膜，只要保持工作气压和溅射功率恒定，基本上即可获得稳定的沉积速率，因此制得的薄膜均匀。(2)该生长过程采用了 SiNx作为缓冲层，有效减小了基底的晶格畸变，大大减少了薄膜的内应力，沉积时温度为室温，有利于氮与娃原子充分反应成SiNx合成物沉积在衬底表面。(3)采用磁控溅射法制得的类金刚石膜致密均匀，并且可大面积沉积。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为不同中间层类金刚石薄膜的Raman图。
[0015]图2 为样品 DLC/Si (100)的 SEM 图。
[0016]图3 为样品 CNX/Si (100)的 SEM 图。
[0017]图4 为样品 DLC/CNX/Si (100)的 SEM 图。
[0018]图5 为 样品 DLC/SiNx/Si (100)的 SEM 图。
【具体实施方式】
[0019]以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0020]实施例1SiNx中间层磁控溅射制备类金刚石膜
[0021](I)Si (100)的清洗
[0022]用Si (100)基片作为衬底，常温、常压下将Si (100)先用丙酮在超声波清洗器中清洗20min,然后用酒精在超声波清洗器中清洗20min,经过N2吹干,沉积前用Ar离子轰击20min,放入派射室。
[0023](2)缓冲层SiNx的生长
[0024]该过程在超高真空多功能磁控溅射系统中完成，本底真空为4.0X 10_5Pa，靶材为Si (纯度99.999%),N2与Ar气的气流量分别为3.2,35.2sccm，其中N2为反应气体，Ar为工作气体，Ar发生电离形成Ar+, Ar+在电磁场作用下碰撞祀材,Ar+与祀材原子交换能量,革巴材原子获得的能量大于金属逃逸功时，将离开靶材表面，与反应气体反应沉积在衬底表面形成薄膜；其中射频溅射功率为160W，溅射时间为20min，溅射过程中衬底保持室温。
[0025](3)类金刚石膜的生长
[0026]该过程在超高真空多功能磁控溅射系统中完成，本底真空为4.0X 10_5Pa，靶材采用高纯碳靶(99.999%)，Ar气的气流量为35.2sCCm，其中Ar为工作气体，Ar发生电离形成Ar+, Ar+在电磁场作用下碰撞靶材，Ar+与靶材原子交换能量，靶材原子获得的能量大于金属逃逸功时，将离开靶材表面，并沉积在(2)中衬底表面形成的薄膜上，即形成类金刚石膜；其中直流溅射功率为1.6W，溅射时间为40min，溅射过程中衬底保持室温。
[0027]实施例2
[0028](I) Si (100)的清洗
[0029]用Si (100)基片作为衬底，常温、常压下将Si (100)先用丙酮在超声波清洗器中清洗20min,然后用酒精在超声波清洗器中清洗20min,经过N2吹干,沉积前用Ar离子轰击20min,放入派射室。
[0030](2)类金刚石膜的生长
[0031]该过程在超高真空多功能磁控溅射系统中完成，本底真空为4.0X 10_5Pa，靶材采用高纯碳靶(99.999%)，Ar气的气流量35.2sccm，其中Ar为工作气体，Ar发生电离形成Ar+，Ar+在电磁场作用下碰撞靶材，Ar+与靶材原子交换能量，靶材原子获得的能量大于金属逃逸功时，将离开靶材表面，并沉积在(I)处理后的衬底表面，即形成类金刚石膜；其中直流溅射功率为1.6W，溅射时间为40min，溅射过程中衬底保持室温。
[0032]实施例3
[0033](I)Si (100)的清洗
[0034]用Si (100)基片作为衬底，常温、常压下将Si (100)先用丙酮在超声波清洗器中清洗20min,然后用酒精在超声波清洗器中清洗20min,经过N2吹干,沉积前用Ar离子轰击20min,放入派射室。
[0035](2)缓冲层CNx的生长
`[0036]该过程在超高真空多功能磁控溅射系统中完成，本底真空为4.0X 10_5Pa，靶材采用高纯碳靶(99.999%)，队与么1.气的气流量分别为3.2,35.2sccm，其中N2为反应气体，Ar为工作气体，Ar发生电离形成Ar+，Ar+在电磁场作用下碰撞靶材，Ar+与靶材原子交换能量，靶材原子获得的能量大于金属逃逸功时，将离开靶材表面，并沉积在(I)处理后的衬底表面，即形成类金刚石膜；其中直流溅射功率为1.6W，溅射时间为40min，溅射过程中衬底保持室温。
[0037](3)类金刚石膜的生长
[0038]该过程在超高真空多功能磁控溅射系统中完成，本底真空为4.0X 10_5Pa，靶材采用高纯碳靶(99.999%)，Ar气的气流量35.2sccm，其中Ar为工作气体，Ar发生电离形成Ar+，Ar+在电磁场作用下碰撞靶材，Ar+与靶材原子交换能量，靶材原子获得的能量大于金属逃逸功时，将离开靶材表面，并沉积在(2)中衬底表面形成的薄膜上，即形成类金刚石膜；其中直流溅射功率为1.6W，溅射时间为40min，溅射过程中衬底保持室温。
[0039]实施例制备的类金刚石薄膜的Raman、SEM分析结果分别如图1_5和表1所示，Raman结果表明采用实施例1SiNx中间层方法制备得到的DLC膜具有低内应力(如图1和表I所示，Raman峰相对sp2和sp3的自然拉曼峰的偏移较小),实施例2中直接沉积在Si表面的DLC膜表面会出现局部的少量的团聚体(如图2所示)，采用实施例3CNX中间层制备所得到的DLC膜样品不同颗粒大小的球型团簇(如图4所示)，原因是由于在沉积CNx中间层时膜表面会出现明显的裂纹(如图3所示)，而采用SiNx中间层类金刚石薄膜为纳米多晶结构，表面均匀致密(如图5所示)，因此SiNx中间层方法制备得到的DLC膜是一种制备高质量DLC膜的有效方法。
[0040]表1不同中间层类金刚石薄膜的Raman[0041]
[0042]
【权利要求】
1.一种SiNx中间层磁控溅射制备类金刚石膜的方法，其特征是，其步骤如下: (1)衬底的处理:用Si(100)基片作为衬底，先用丙酮在超声波清洗器中清洗20min，然后用酒精在超声波清洗器中清洗20min，经过N2吹干，沉积前用Ar离子轰击20min，放入溅射室； (2)缓冲层SiNx的生长:靶材为Si，以N2为反应气体，Ar为工作气体，Ar发生电离形成Ar+，Ar+在电磁场作用下碰撞靶材，Ar+与靶材原子交换能量，靶材原子获得的能量大于金属逃逸功时，将离开靶材表面，与反应气体反应沉积在(I)中处理后的衬底表面形成薄膜； (3)类金刚石膜的生长:靶材采用高纯碳靶，Ar为工作气体，Ar发生电离形成Ar+，Ar+在电磁场作用下碰撞靶材，Ar+与靶材原子交换能量，靶材原子获得的能量大于金属逃逸功时，将离开靶材表面，并沉积在(2)中衬底表面形成的薄膜上，形成类金刚石膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤(2)中，靶材Si的纯度为99.999% ；N2流量为3.2sccm, Ar流量为35.2sccm ;射频溅射功率为160W，溅射时间为20min ;衬底温度为室温。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤(3)中，碳靶纯度为99.999% ;Ar流量为`35.2sccm ;直流溅射功率为1.6W，溅射时间为40min，衬底温度为室温。
【文档编号】C23C14/35GK103849847SQ201410111641
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】陈青云, 王茜, 王金枝, 罗瑜, 王烈林, 王星博, 邓云礼 申请人:西南科技大学