DLC膜的性能及常見制備方法

2021/10/22

  類金剛石膜具有良好的力學性能、電學性能、光學性能,極高的硬度、電阻率、電絕緣強度和熱導率、高紅外透射性和光學折射率,以及良好的化學穩定性和生物相容性,因而具有廣泛的應用，薄膜中sp3鍵與sp2鍵數量比是決定類金剛石薄膜硬度的主要因素,其值越大,硬度越高,因此,類金剛石膜具有可調節的高硬度,其硬度值上限接近金剛石的硬度(100 GPa),達95GPa。硬度與DLC結構有關,因此與制備方法有關。應用磁過濾陰極電弧法(FVCA)制備的DLC膜具有與金剛石膜相近的硬度;真空陰極電弧法(VCAD)制備的DLC膜硬度在HV5000以上;而磁控濺射法制備的DLC膜硬度較低一般在HV2000以下。另外,沉積工藝和摻雜對DLC膜的硬度也有影響。適當的偏壓、壓強和氣氛可不同程度地提高DLC膜的硬度。大部分實驗表明摻雜使DLC膜的硬度有不同程度的下降,但也有人認為Si的摻入可以提高DLC膜的硬度。DLC膜中一般存在較大的內應力。內應力不僅與DLC膜的結構、組份有關,還與成膜的工藝有很大關系.如在H-DLC膜中,內應力與H含量有很大關系。

  在保持DLC膜高硬度的同時,摻入N,Si及某些金屬元素可降低內應力。內應力對DLC膜與基底的結合性能有較大影響。在基底上直接沉積DLC膜,膜的結合力一般較差。DLC膜越薄,膜與襯底的結合力越好。另外,通過在DLC膜與基底之間加入過渡層也可增強膜的粘附性。如用Cr做過渡層,顯著改善了膜與基底的結合狀況;不同的基底對過度層不同。由于DLC膜硬度很高,因而具有優異的耐磨性,而且其摩擦系數低,所以是一種優異的表面改性材料。正因為DLC膜具有如上優異的性能,因此得到了廣泛的應用。DLC膜非常適合用于工具涂層。DLC膜的制備工藝發展迅速,已經開發出多種制備方法。這些方法大體分為兩大類:物理氣相沉積法(physical vapor deposition簡稱PVD)、化學氣相沉積法(chemical vapor deposition簡稱CVD)及等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)。物理氣相沉積法包括真空蒸發、電阻加熱蒸發、感應加熱蒸鍍、熱陰極離子鍍、電弧離子鍍、活性反應離子鍍、射頻離子鍍、直流放電離子鍍等,其突出特點是把各種氣體放電引入氣相沉積,使得整個沉積過程都在等離子體中進行,大大提高了粒子能量。離子鍍的成膜速度快,膜基結合力好,膜層的繞鍍性好,可以在較低溫度下進行沉積。磁過濾陰極真空弧沉積(FCVA)技術采用磁過濾線圈過濾掉弧源產生的大顆粒和中性原子,使到達襯底的幾乎全部是碳離子,可以用較高的沉積速率制備出無氫DLC膜。有人采用FCVA技術做出sp3鍵含量高達90%、硬度高達95 GPa的無氫碳膜,其性質與多晶金剛石材料相近.濺射鍍是利用輝光放電、陰極濺射原理進行鍍膜的。磁控濺射方法是通過直流中頻或者射頻方式利用氬離子Ar濺射石墨靶材,濺射出的碳原子的能量分布依濺射離子的能量和種類而不同。該法的優點是沉積溫度較低、設備簡單、沉積面積大,可以沉積高阻膜和絕緣膜。化學氣相沉積(CVD)法和等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)法化學氣相沉積是一種化學相反應生長法。是將幾種化合物或單質反應氣體通入反應腔中,在氣固界面進行分解、解吸、化合反應生成均勻一致的固體膜.化學氣相沉積主要的方法有:常壓、低壓下的高低溫化學氣相沉積、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、等離子體輔助。化學氣相沉積(PVCD)和激光化學氣相沉積(LCVD)等。而最主要的是等離子體輔助化學氣相沉積。