类金刚石薄膜 资料介绍

类金刚石膜技术基础一、类金刚石薄膜发展史：金刚石、类金刚石薄膜技术，是指利用各种光学薄膜制作技术制作接近天然金刚石和人造单晶金刚石特性（如在较宽光谱内均具有很高的光透过率－－在2～15μm（微米）范围光的吸收率低到1％；具有很高的硬度、良好的导热性、耐腐蚀性以及化学稳定性高－－1000℃（摄氏度）以上仍保持其化学稳定性等）的人造多晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜（又称为硬碳膜、离子碳膜、或透明碳膜）的一种技术。

光学应用金刚石、类金刚石薄膜主要采用低压化学汽相沉积（CVD）技术制备。

低压CVD 技术包括热丝CVD法、等离子体CVD法、离子束蒸镀法、光/激光CVD法附加活性氢激光CVD 法等。

目前，CVD法制作金刚石薄膜已取得丰硕成果，但作为红外光学薄膜应用还需进一步解决金刚石薄膜对红外光学材料的粘着性和光散射的问题。

CVD法制作的金刚石薄膜与硅基片的粘着性是不错的，但是与其他材料（如锗、硫化锌等）基片的粘着性就甚差，或是根本就粘着不到一起去。

对于光散射的问题，则是要求如何更好地控制金刚石薄膜表面形态和晶粒结构。

理想的CVD法制造的红外光学应用的金刚石薄膜或许是一种单晶结构的膜，但是，目前使用CVD法还不能制造单晶结构的金刚石薄膜。

此外，大面积薄膜的制作、膜的光洁度等技术课题以及金刚石薄膜的制作成本问题，都有待于继续研究解决。

1.1金刚石、类金刚石薄膜研究进程自1963年在一次偶然的机会出现了不寻常的硬度和化学性能好的化学汽相沉积（CVD）碳形式的薄膜后,国外有不少研究单位开始研究金刚石薄膜的沉积工艺.1971年,艾森伯格（Aisenberg）和沙博（Chabot）等人,利用离子束蒸镀法,以石墨作薄膜材料,通过氩气弧光放电使石墨分解电离产生碳离子。

碳离子经磁场聚焦成束,在比较高的真空条件下,在低压沉积室内的室温下的基片上沉积出了硬碳膜。

这种硬碳膜具有近似于金刚石的一些特性－如透明度高、电阻抗大、硬度高等。

当时，这种膜被人们称作i形碳。

直到1976年，斯潘塞（Spencer）等人对这种应碳膜的结构进行了探讨，结果确认膜中有金刚石等数种碳系结晶，后才被人们称之为类金刚石膜。

就在这一年，德贾吉恩（Derjaguin）等人利用化学转变法合成出了金刚石薄膜。

从此之后，低压CVD金刚石薄膜工艺引起了人们的注意。

70年代中期，前苏联的科学家，论证了实用的CVD金刚石薄膜技术，接下来日本人又模仿和发展了此项技术。

进入80年代后，低压CVD金刚石薄膜研究在日本蓬勃开展起来。

在从1963～1987年的25年中，各国相继发表的有关金刚石薄膜制作技术及其相关材料的专利，共有672篇。

其中美国有53篇，日本有507篇，其他国家为112篇。

而在1983～1987年这4年内，全世界就发表了这方面的专利573篇，其中日本发表有488篇。

由此看出，80年代中期是CVD法沉积合成金刚石薄膜技术的大发展时期，而日本的研究开展的最为活跃。

1.2金刚石、类金刚石薄膜的制备方法研究1、热丝CVD法bqjs0028.gif 图28 热丝CVD法金刚石薄膜沉积合成装置 1－加热炉 2－玻璃罩 3－钨灯丝 4－基片 5－硅槽 6－热电偶 7－氧化铝棒（管） 8－馈气口 9－接电源 10－接真空量规处 11－接真空泵处日本青山大学的犬冢等人和广岛大学的广濑等人，于1985～1988年间，分别先后利用热丝CVD法，采用氢稀释过的甲烷、乙醇等含氧的有机化合物作原料，进行了沉积金刚石薄膜的实验。

结果用氢稀释过的甲烷作原料，金刚石薄膜的沉积速度为数μm/h（微米/小时）；而采用乙醇等含氧的有机化合物作原料，金刚石薄膜的沉积速度提高到了数十μm/h。

2、等离子体CVD法该法沉积合成金刚石薄膜的条件与热丝CVD法的情况类似。

1984年，日本国家无机物材料研究所的濑高信雄等人利用该方法进行了金刚石薄膜的试制，结果与热丝CVD法的情形大致相同，薄膜的沉积速度为数μm/h。

1987年，日本青山大学的泽边、犬冢等人采用直流等离子体法，通过发生更高密度的等离子体进行高速沉积实验，结果金刚石薄膜的沉积速度达到了20μm/h。

同年，国家无机物材料研究所的松本、日野等人利用高频热等离子体法制作金刚石薄膜薄，膜的沉积速度达到了60μm/h。

1988年富士通实验室的粟花、河原田等人采用直流等离子体射流法制作金刚石薄膜，薄膜的沉积速度达到了数百μm/h。

另外，河原田等人在1987年还实验了一种以大面积化为目标的磁场法用来提高金刚石薄膜的沉积速度。

3、离子束蒸镀法bqjs0029.gif 图29 离子束蒸镀法类金刚石膜蒸镀设备原理图1－电源 2－等离子 3－离子加速电极 4－聚焦偏转系统 5－离子减速栅极 6－基片 7－高真空室 8－扩散泵 9－电子枪 10－被涂材料该方法，除了前面所讲谈到的艾森伯格等人于1971年、斯潘塞等人于1976年分别进行了成功实验外，日本的毛利、难波等人于1982年也利用该方法成功地镀制出了类金刚石薄膜。

4、光、激光CVD 法 1986年，日本大版大学的河合等人分别利用光、激光CVD法进行了金刚石薄膜的制作实验。

采用光CVD法装置，以C2H2（二氢化二碳）作原料气体，使用低压水银灯，用185nm（纳米）的光进行弧光放电，使C2H2气体分解电离，产生碳离子束，制作金刚石薄膜。

基片材料为硅、石英等。

薄膜在室温至300℃的条件下就可形成。

制作的薄膜具有透明度好、电阻抗大等特点。

不足之处是硬度稍差一点。

采用准分子激光CVD法，同样以C2H2作原料气体，使用波长为193nm的ArF（氩氟）准分子激光，对C2H2气体进行分解电离，产生碳离子束，在加热的基片上沉积成膜。

利用光、激光CVD法制成的金刚石薄膜通过扫描电子显微图像和电子衍射评价，薄膜的结晶性已得到了确认。

进入90年代，低压CVD法沉积合成金刚石薄膜技术仍处于蓬勃发展时期，许多东西尚未达到成熟阶段，对其反应工艺仍在进行各方面的研究探讨－如反应的分析、反应模拟，结晶生长的量子化学探讨等。

特别是对工艺反应提出了不少的观点，其中最有代表性的是活性气体参与反应的活性反应学说。

这种学说是被许多研究人员所支持的一种学说，它认为金刚石是由激励状态的甲基原子团（CH3碳氢化合物）形成的。

在沉积合成金刚石薄膜的过程中，根据使用的活性气体分子种类的不同，沉积合成出的薄膜的形态也不一样。

在整个工艺过程，原子状态的活性气体起着重要作用，它参与立体结构金刚石（SPPP）的形成，而后与生成的非晶体碳起反应，最后沉积生成金刚石薄膜。

1.3金刚石、类金刚石膜在国内的发展DLC在技术上已经成熟，在国外已经达到半工业化水平，形成具有一定规模的产业。

深圳雷地公司在DLC的产业化应用方面走在国内前列。

不少单位，如北京师范大学、中科院上海冶金所、北京科技大学、清华大学、广州有色院、四川大学等都正在进行或曾经进行过DLC的研究和应用开发工作。

DLC的主要缺点是：(1)内应力很大，因此厚度受到限制，一般只能达到lum～21um以下；(2)热稳定性较差，含氢的a：C-H薄膜中的氢在400℃左右就会逐渐逸出，sp2成分增加，sp3成分降低，在大约500℃以上就会转变为石墨。

1.4金刚石、类金刚石膜的应用前景金刚石、类金刚石薄膜具有优良的光学、机械和电特性在军事领域有广泛用途。

例如，由于它具有优良的光透过率，非常适合制作红外光学零件的单层减反膜，以改善红外光学透镜对红外线辐射的透过率，进尔提高红外热成像仪扑捉敌目标的能力。

由于具有很高的硬度、很强的耐磨性和耐腐蚀性，可以用作军用光电仪器、飞机等的窗口、挡风玻璃等，以提高它们的使用寿命。

因此说，金刚石、类金刚石薄膜技术的发展对武器装备和国防科技的发展颇有影响。

2 类金刚石薄膜的微观结构与其物理特性碳有 2 种结晶态 , 即石墨和金刚石。

这2种晶态表现出 2 种不同的物理特性。

石墨结晶结构是在室温条件下热力学中优先生成的结晶结构。

它是一种层状结构 , 其 C 原子紧密以共价键连接在一个平面 (称为 SP2混合键) 内 , 层与层之间的连接很弱。

在金刚石中 , 一个 C原子被另外 3 个 C原子所围绕并形成共价键 (称为 SP3混合键) , 表现出硬度高的特性 (但其晶体需要在高温、高压条件下才能形成) 。

因此 , 在温度不太高的条件(100 ℃～300 ℃) 下 , 碳离子在基片上形成一种无定形碳膜 , 其结构含有石墨结构成分(SP2结构) 和金刚石结构成分 (SP3结构) ,而 SP2和 SP3含量的多少 , 决定其宏观的物理特性。

因此 , SP2和 SP3含量的测试是保证类金刚石薄膜质量的关键。

Raman 光谱分析法是测试类金刚石薄膜化学结构的主要方法。

美国学者 R. E. Shroder 建立了一个SP2和SP3成分相对比率喇曼光谱定标曲线。

分别用氮化硼 (BN) 和金刚石粉末以及用石墨与金刚石粉末 2 种混合物 , 在严格确定混合粉末成分比例条件下 , 得到了几组喇曼光谱图。

随着石墨与金刚石粉末含量的变化 , 喇曼光谱在 1355cm 处的 D 峰和1580cm 处的 G峰有着明显的变化 , 其中 D峰代表SP3成分的含量 (即金刚石结构的含量) , G峰代表 SP2成分的含量。

由于类金刚石薄膜是一种无定形态的碳膜, 其 SP2键与SP3键的杂化轨道表现在喇曼光谱在1100cm～1700cm 范围内有较宽的展宽。

因此, 用上述方法严格定量分析是困难的。

有些学者提出, 用喇曼光谱中 G峰向 D 峰方向的位移量计算 SP2与 SP3含量的相对比率。

喇曼光谱是测定无定形碳膜微观结构特材料硬度，指材料表面局部区域抵抗更硬物体压入的能力。

硬度越高，局部抗塑性变形能力越好，材料耐磨性越好。

常用的硬度测试方法有：金属材料用布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）、显微硬度（HM）；动载压入法测肖氏硬度（HS）；陶瓷材料用克氏硬度（Knoop）、显微硬度（HK）、莫氏硬度（刻划法）。

莫氏硬度，以材料抵抗刻划能力为主要指标，测试矿石的软硬。

锡1.8；金2.5。

莫氏硬度=0.7。