膜厚對四面體非晶碳膜機(jī)械性能的影響

采用過濾陰極真空電弧技術(shù)以相同的工藝條件在p（100）單晶硅襯底上制備了不同厚度的四面體非晶碳薄膜，并利用表面輪廓儀測試薄膜的厚度和應(yīng)力，利用納米壓入儀測試薄膜的硬度、楊氏模量和臨界刮擦載荷。試驗表明，在一定的掃描波形條件下，薄膜大約以0.7 nm/s的沉積速率穩(wěn)定生長。隨著膜厚的增加，薄膜的應(yīng)力持續(xù)降低，當(dāng)膜厚超過30 nm時，應(yīng)力將低于5GPa；當(dāng)膜厚超過300 nm時，硬度和楊氏模量分別將近70GPa和750GPa，已經(jīng)十分接近體金剛石的性能指標(biāo)。另外，隨著膜厚增加所產(chǎn)生的應(yīng)力變化，也導(dǎo)致了可見光拉曼光譜非對稱寬峰的峰位逐漸向低頻偏移。
關(guān)鍵詞：四面體非晶碳；過濾陰極真空電??；機(jī)械性能；應(yīng)力

四面體非晶碳（ta-C）是含有較高比例四配位σ鍵（可達(dá)70％以上）的無氫類金剛石碳[1]，具備許多堪與金剛石晶體相媲美的優(yōu)異性能，并在電子、機(jī)械、國防和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[2~5]。四面體非晶碳薄膜一般采用激光、電弧和離子束等能量形式產(chǎn)生粒子束沉積而成[6~9]，這就導(dǎo)致高內(nèi)應(yīng)力與高硬度、高模量、高耐磨性、高透光性和高生物相容性等卓越性能相伴而生[10,11]。高壓應(yīng)力又限制了薄膜不剝落的穩(wěn)定厚度為100～200 nm[12,13]，難以達(dá)到不同使用要求，從而成為制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸。顯然，弄清薄膜厚度對應(yīng)力、硬度、模量、臨界載荷等機(jī)械性能的影響規(guī)律有著重要的現(xiàn)實意義。
為此，本文采用過濾陰極真空電弧技術(shù)，在拋光單晶硅襯底上于室溫條件下制備了不同厚度的四面體非晶碳薄膜，研究膜厚對薄膜應(yīng)力、硬度、楊氏模量等機(jī)械性能的變化規(guī)律。
2.1 試樣制備
采用離面雙彎過濾陰極真空電弧（FCVA）類金剛石薄膜沉積系統(tǒng)制備樣品，實驗原理詳見文獻(xiàn)[14]。沉積時，對襯底施加相同的直流脈沖負(fù)偏壓（－80V），固定脈沖頻率1500Hz，脈寬25s μ ，從0~500s改變沉積時間獲得一組厚度不同的四面體非晶碳薄膜試樣。利用光敏傳感器定位的機(jī)械引弧機(jī)構(gòu)每隔15 s定時強(qiáng)制觸發(fā)電弧，確保高純石墨陰極的靶面平整和電弧的持續(xù)穩(wěn)定燃燒。所有試驗均采用相同的掃描波形，保證在直徑250 mm的沉積區(qū)域內(nèi)膜厚均勻。除應(yīng)力試樣襯底采用厚度0.5mm直徑2英寸的硅拋光片外，其它試樣均采用同一批次厚度0.75mm的P(100)單晶硅拋光片。厚度標(biāo)樣在沉積前用記號筆的襯底上劃一橫線。沉積前，用丙酮超聲清洗襯底15min，并用Kaufman氬離子槍刻蝕5min，固定氬氣流量8mL/min，采用相同的電源參數(shù)?？涛g時，用覆蓋物將厚度標(biāo)樣遮蔽。電弧電流設(shè)置為60A，沉積前本底真空度為0.3mPa，沉積時由于陰極放氣真空度將有所升高。