碳原子杂化键含量的方法
【专利摘要】本发明提出了一种提高离子束溅射法制备的类金刚石(DLC)薄膜中sp3碳原子杂化键含量工艺方法，属于红外硬质保护薄膜改性技术研究。本发明通过调节离子源束压，改变由靶材溅射出的碳原子的能量与数量，从而改变DLC薄膜中sp3碳原子杂化键含量，实验表明：通过降低离子源束压，可以明显提高DLC薄膜中sp3碳原子杂化键含量。本方法简单、实用、可操作性强、且对离子束溅射法制备高性能的DLC薄膜有广泛的指导作用。
【专利说明】一种提高类金刚石薄膜SP3碳原子杂化键含量的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于功能光学薄膜设计与研制领域，涉及红外硬质保护薄膜改性技术研究，进一步涉及一种提高类金刚石薄膜SP3碳原子杂化键含量的方法。
【背景技术】
[0002]红外窗口 /整流罩材料存在机械强度低，抗化学侵蚀性能差等缺陷，难以满足高速飞行的要求。在红外窗口/整流罩表面沉积保护膜是提高光学窗口热力学防护性能的主要手段。
[0003]类金刚石(DLC)薄膜是一种由碳原子构成的非晶薄膜，它的化学键主要是SP2和SP3碳原子杂化键。由于DLC薄膜的性能与金刚石薄膜比较相似，因而称其为类金刚石薄膜。
[0004]DLC薄膜是一种红外波段折射率较低、硬度大、抗高速粒子冲击及盐雾化学侵蚀能力强的红外硬质保护膜。使用其作为红外窗口 /整流罩的最外层保护膜，可以极大提高红外窗口 /整流罩超声速飞行条件下的适应能力。一般认为，薄膜中Sp3碳原子杂化键含量越高，电阻率越高，红外光吸收越小，硬度越高，其也就越适合作为红外硬质保护薄膜。
[0005]离子束溅射法是一种制备DLC薄膜的重要方法。但是采用离子束溅射法制备的DLC薄膜存在着薄膜Sp3碳原子杂化键含量较少，薄膜红外吸收大，硬度低的缺点。现有文献资料中还没有关于提高离子束溅射法制备的DLC薄膜Sp3碳原子杂化键含量的方法的报道。
【发明内容】
[0006](一 )要解决的技术问题
[0007]本发明要解决的技术问题是:提供一种有效提高离子束溅射法制备DLC薄膜Sp3碳原子杂化键含量的方法，通过调整离子源束压，可以明显提高薄膜中SP3碳原子杂化键含量。
[0008]( 二 )技术方案
[0009]为了解决上述技术问题，本发明提供一种提高类金刚石薄膜Sp3碳原子杂化键含量的方法，其包括以下步骤:
[0010]步骤一:镀膜之前先对镀膜基片进行清洗；
[0011]步骤二:镀制DLC薄膜；在镀膜过程中，预溅射时的离子源束压控制在500V-1000V,预溅射后的离子源束压控制在600-1200V。
[0012]其中，步骤一中，清洗步骤具体包括:
[0013]首先使用蘸有体积比为1:1的无水乙醇和乙醚的混合液的脱脂纱布擦拭基片；
[0014]随后，使用蘸有钻石粉的脱脂纱布对基片进行抛光；
[0015]最后，依次使用蘸有体积比为1:1的无水乙醇和乙醚的混合液的脱脂纱布和脱脂棉布擦拭基片，至基片擦拭干净为止。
[0016]其中，步骤二中，镀膜过程在真空室内完成，以纯度为99.95 %的石墨作为溅射靶材，以纯度为99.999%的Ar作为离子源工作气体，以纯度为99.999%的CH4气体作为反应气体。
[0017]其中，步骤一中，镀膜的过程包括:将清洗后的基片放入真空室内，依次打开低真空泵和高真空泵抽真空，当真空室内压强降至2X 10_3Pa以下时，向离子源和中和器内充入Ar,流量分别控制在20-45sccm之间以及5_10sccm之间，启动中和器和离子源,对石墨革巴进行预溅射，离子源束压控制在500V-1000V，束流控制在300mA以内，时间为2_10min。
[0018]其中，步骤二中，镀膜的过程进一步还包括:预溅射后调节离子源束压为600-1200V，束流为300-400mA，向真空室通入反应气体CH4,流量在0-64sccm之间，真空室压强在8X10_2Pa以下；当离子源工作状态稳定后，将基片转动至镀膜区，启动自转系统，淀积DLC薄膜，镀膜时间为2-6小时。
[0019](三)有益效果
[0020]上述技术方案所提供的提高离子束溅射法制备DLC薄膜Sp3碳原子杂化键含量的方法，可以直接通过改变离子源束压这一工艺条件大幅度提高薄膜中Sp3碳原子杂化键的含量；整个工艺过程简单，可控，重复性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明中离子束溅射淀积DLC薄膜的装置示意图；
[0022]图2是实施例1中样品在波数为875CHT1至2000CHT1范围内的拉曼光谱测试分析曲线；
[0023]图3是实施例2中样品在波数为875CHT1至2000CHT1范围内的拉曼光谱测试分析曲线；
[0024]图4是实施例3中样品在波数为875CHT1至2000CHT1范围内的拉曼光谱测试分析曲线。
[0025]图中:1-离子源；2_石墨靶；3-基片；4_转动系统；5_中和器；A-CH4气体；B-真空室。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0027]离子束溅射法制备的DLC薄膜中的C原子主要以Sp2和sp3两种杂化方式成键。其中，Sp3碳原子杂化键来自于石墨靶材溅射出的C原子和甲烷分子碰撞成键，而sp2碳原子杂化键来自于石墨靶材本身溅射出的C原子成键，较高的离子源束压会增加薄膜中靶材溅射出的C原子的比例，从而降低薄膜中sp3碳原子杂化键的含量，所以降低离子源束压可以提高薄膜中sp3碳原子杂化键含量。
[0028]本发明方法的具体过程如下:
[0029](I)镀膜之前先对镀膜基片进行清洗。
[0030]首先使用蘸有体积比为1:1的无水乙醇和乙醚的混合液的脱脂纱布擦拭基片；随后，使用蘸有钻石粉的脱脂纱布对基片进行抛光；最后，依次使用蘸有体积比为1:1的无水乙醇和乙醚的混合液的脱脂纱布和脱脂棉布擦拭基片，至基片擦拭干净为止。
[0031](2)镀制 DLC 薄膜。
[0032]本发明采用图1所示的离子束溅射镀膜装置镀制DLC薄膜。将清洗后的基片放入真空室B内，以纯度为99.95%的石墨作为溅射靶材，以纯度为99.999%的Ar作为离子源工作气体，以纯度为99.999%的CH4气体A作为反应气体。依次打开低真空泵和高真空泵抽真空，当真空室内压强降至2X10_3Pa以下时，向离子源I和中和器5内充入Ar，流量分别控制在20-45sccm之间以及5_10sccm之间，启动中和器5和离子源I,对石墨祀2进行预溅射，离子源束压控制在500V-1000V，束流控制在300mA以内，时间为2_10min。
[0033]预溅射后调节离子源束压为600-1200V，束流为300_400mA，向真空室通入反应气体CH4，流量在0-64SCCm之间，真空室压强在8X10_2Pa以下。当离子源工作状态稳定后，将基片3转动至镀膜区，启动自转系统4，淀积DLC薄膜，镀膜时间为2-6小时。通过改变溅射时的离子源束压可以制备出不同sp3碳原子杂化键含量的DLC薄膜。
[0034]镀膜结束后，对不同离子源束压溅射条件下得到的DLC薄膜进行拉曼光谱分析，即可得到薄膜sp3碳原子杂化键含量变化规律。
[0035]测试分析表明:不同离子源束压条件下制备薄膜的拉曼光谱拟合后的D带与G带的中心位置以及面积比值不同。通过降低离子源束压，不仅可以使G带中心位置向短波数方向移动，而且可以降低D带与G带面积比值。
[0036]以上结果从理论上说明了，降低离子源束压可以提高DLC薄膜中sp3碳原子杂化键含量。
[0037]实施例1
[0038]使用直径为41mm，厚度为0.3mm的N型高阻单晶Si片作为基片。
[0039]镀膜之前先对镀膜Si片进行清洗:首先使用蘸有体积比为1:1的无水乙醇和乙醚的混合液的脱脂纱布擦拭Si片；随后，使用蘸有钻石粉的脱脂纱布对Si片进行抛光；最后，先后使用蘸有体积比为1:1的无水乙醇和乙醚的混合液的脱脂纱布和脱脂棉布擦拭Si片，至Si片擦拭干净为止。
[0040]将清洗后的基片放入真空室内，以纯度为99.95%的石墨作为溅射靶材，以纯度为99.999%的Ar作为离子源工作气体，以纯度为99.999%的CH4作为反应气体。依次打开低真空泵和高真空泵抽真空，当真空室内压强降至2X 10_3Pa以下时，向离子源和中和器内充入Ar，流量分别为24sCCm和Ssccm，启动中和器和离子源，对石墨靶进行预溅射，离子源束压为800V，束流为300mA，时间为5min。
[0041]预溅射后调节离子源束压为1200V，束流为400mA，向真空室通入反应气体CH4，流量为32sCCm，真空室压强在8X10_2Pa以下。当离子源工作状态稳定后，将基片转动至镀膜区，启动自转系统，淀积DLC薄膜，镀膜时间为4小时。
[0042]样品在波数为875CHT1至2000CHT1范围内的拉曼光谱测试分析曲线如图2所示。现已将拉曼光谱根据高斯分布进行拟合。拟合后，可以将图谱分解为2部分，分别为中心在波数为1370CHT1附近的D带以及中心在波数为1555CHT1附近的G带。此时，G带中心位于156Icm^1, D带与G带面积比值为2.19。薄膜由sp2和sp3碳原子杂化键构成，但薄膜中石墨溅射出的C原子较多，sp3碳原子杂化键含量较低。
[0043]实施例2
[0044]本实施案例与实施例1相似，不同之处在于，薄膜溅射时离子源束压为1000V。样品在波数为875CHT1至2000CHT1范围内的拉曼光谱测试分析曲线如图3所示。此时，G带中心位于1555CHT1，相比案例I中的中心位置向短波数方向移动。D带与G带面积比值为2.09，小于案例I中的两者的比值。说明案例2中减小离子源束压后制备的DLC薄膜的sp3碳原子杂化键含量较实施例1有进一步提高。
[0045]实施例3
[0046]本实施例与实施例1和2相似，不同之处在于，薄膜溅射时离子源束压为600V。样品在波数为875CHT1至2000CHT1范围内的拉曼光谱测试分析曲线如图4所示。G带中心位于154801^1,中心位置进一步向短波数方向移动。D带与G带面积比值为1.61,小于实施例1与实施例2中的两者面积的比值。通过实施例3可以说明，进一步减小制备薄膜时的离子源束压，可以继续增大DLC薄膜中sp3碳原子杂化键含量。
[0047]以上3个实施例说明了，随着离子源束压的降低，石墨靶溅射出的C原子与CH4分子碰撞成键比例提高，制备的DLC薄膜的sp3碳原子杂化键含量升高；降低离子源束压，是一种有效提高DLC薄膜中sp3碳原子杂化键含量的工艺方法。
[0048]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种提高类金刚石薄膜SP3碳原子杂化键含量的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:镀膜之前先对镀膜基片进行清洗； 步骤二:镀制DLC薄膜；在镀膜过程中，预溅射时的离子源束压控制在500V-1000V，预溅射后的离子源束压控制在600-1200V。
2.如权利要求1所述的提高类金刚石薄膜SP3碳原子杂化键含量的方法，其特征在于，步骤一中，清洗步骤具体包括: 首先使用蘸有体积比为1:1的无水乙醇和乙醚的混合液的脱脂纱布擦拭基片； 随后，使用蘸有钻石粉的脱脂纱布对基片进行抛光； 最后，依次使用蘸有体积比为1:1的无水乙醇和乙醚的混合液的脱脂纱布和脱脂棉布擦拭基片，至基片擦拭干净为止。
3.如权利要求1所述的提高类金刚石薄膜SP3碳原子杂化键含量的方法，其特征在于，步骤二中，镀膜过程在真空室内完成，以纯度为99.95%的石墨作为溅射靶材，以纯度为99.999%的Ar作为离子源工作气体，以纯度为99.999%的CH4气体作为反应气体。
4.如权利要求3所述的提高类金刚石薄膜Sp3碳原子杂化键含量的方法，其特征在于，步骤一中，镀膜的过程包括:将清洗后的基片放入真空室内，依次打开低真空泵和高真空泵抽真空，当真空室内压强降至2X10_3Pa以下时，向离子源和中和器内充入Ar，流量分别控制在20-45sCCm之间以及5-lOsccm之间，启动中和器和离子源，对石墨靶进行预溅射，离子源束压控制在500V-1000V，束流控制在300mA以内，时间为2_10min。
5.如权利要求4所述的提高类金刚石薄膜Sp3碳原子杂化键含量的方法，其特征在于，步骤二中，镀膜的过程进一步还包括:预溅射后调节离子源束压为600-1200V，束流为300-400mA,向真空室通入反应气体CH4,流量在0_64sccm之间，真空室压强在8X 10_2Pa以下；当离子源工作状态稳定后，将基片转动至镀膜区，启动自转系统，淀积DLC薄膜，镀膜时间为2-6小时。
【文档编号】C23C14/06GK104451541SQ201410718601
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】孙鹏, 张锋, 季一勤, 刘华松, 庄克文, 冷健, 杨明 申请人:中国航天科工集团第三研究院第八三五八研究所