專利名稱:紅外光學(xué)元件表面成型類金剛石膜工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種紅外光學(xué)元件表面成型類金剛石膜工藝。
背景技術(shù):
國內(nèi)外開展類金剛石(Diamond-Like Carbon, DLC)薄膜的研究始于20世紀(jì)70年 代,前期主要是制造方法的研究,研究制造裝置以及采用該裝置生產(chǎn)的DLC薄膜結(jié)構(gòu)特征。 近年來研究的主要對(duì)象是制造設(shè)備的改型和工藝研究。DLC薄膜目前不能大面積推廣應(yīng)用 的主要問題包括制造設(shè)備技術(shù)研究不夠,難以大面積生長(zhǎng)DLC薄膜,薄膜制造技術(shù)研究不 夠,導(dǎo)致薄膜制造重復(fù)性不好,薄膜穩(wěn)定性和殘余應(yīng)力問題沒有從根本上解決。根據(jù)光學(xué) 薄膜的基本理論可知DLC薄膜工作在近紅外區(qū)時(shí),其薄膜厚度必須大于400nm,在8-12um 做紅外增透保護(hù)膜時(shí),要求薄膜厚度通常在1250nm左右,因此薄膜應(yīng)力成為影響薄膜附著 力的主要因素。采用不同的方法生長(zhǎng)DLC薄膜,其薄膜應(yīng)力不同。采用真空陰極電弧沉 積DLC薄膜的應(yīng)力大約為4-14GPa,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的DLC薄膜的應(yīng)力大約為
0.18-4. 7GPa,采用平衡磁控賤射生長(zhǎng)的碳膜的應(yīng)力為1. 5-2. 5GPa。用同一種方法生長(zhǎng)DLC 薄膜時(shí),基底材料不同,薄膜厚度不同、薄膜制造工藝不同,薄膜應(yīng)力也不同。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服以上缺陷,本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種紅外光學(xué)元件表面成 型類金剛石膜工藝,該工藝制成的類金剛石膜性能優(yōu)越,抗腐蝕,硬度高。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種紅外光學(xué)元件表面成型類金剛石膜工藝, 首先向碳膜機(jī)內(nèi)放置單晶硅的基片,接著在碳膜機(jī)內(nèi)抽真空,碳膜機(jī)內(nèi)的工作氣壓為
1.SXlO^Pa-l. 3X10_3Pa時(shí)停止抽真空,接著向碳膜機(jī)的射頻源充入氬氣,同時(shí)射頻源放 電將氬氣離子化后形成氬離子,氬離子對(duì)準(zhǔn)基片進(jìn)行8-12分鐘的轟擊,然后停止釋放氬 氣,最后向碳膜機(jī)內(nèi)充滿工作氣體丁烷,即單晶硅基片表面沉積形成類金剛石膜。根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例,紅外光學(xué)元件表面成型類金剛石膜工藝進(jìn)一步包 括該工藝的工作條件為射頻源與基片的距離為180mm,氣體丁烷充入的流量為40sCCm,射 頻功率為800w。根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例,紅外光學(xué)元件表面成型類金剛石膜工藝進(jìn)一步包 括該工藝的工作條件為射頻源與基片的距離為150 250mm之間。本發(fā)明的有益效果是本工藝制得的類金剛石膜硬度高,用任何尖銳的金屬制品 刻劃均無痕跡,而且耐磨性好;雨滴直徑2-4mm,垂直高度2m,經(jīng)雨淋7h,表面膜層未有變 化;在濕度95 %,溫度80°C的條件下,放置5h,膜層未有明顯變化;在濃鹽酸中浸泡120h, 膜層未有明顯變化。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在結(jié)合附圖
和優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡(jiǎn)化的示意圖,僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu),因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。一種紅外光學(xué)元件表面成型類金剛石膜工藝,首先向碳膜機(jī)內(nèi)放置單晶硅的基 片,接著在碳膜機(jī)內(nèi)抽真空,碳膜機(jī)內(nèi)的工作氣壓為1. SXlO-1Pa-L 3X IO-3Pa時(shí)停止抽真 空,接著向碳膜機(jī)的射頻源充入氬氣,同時(shí)射頻源放電將氬氣離子化后形成氬離子,氬離子 對(duì)準(zhǔn)基片進(jìn)行8-12分鐘的轟擊,然后停止釋放氬氣,最后向碳膜機(jī)內(nèi)充滿工作氣體丁烷, 即單晶硅基片表面沉積形成類金剛石膜。
射頻源放電進(jìn)行離子鍍具有下述特點(diǎn)①蒸發(fā)、離化、加速三種過程可分別獨(dú)立控 制,離化靠射頻激勵(lì);②在1. SXlO-1Pa-L 3 X IO-3Pa的較低工作氣壓下也能穩(wěn)定放電,而 且離子率較高;③容易進(jìn)行反應(yīng)離子鍍;④與其他離子鍍方法相比,基片溫度容易控制。射 頻源是將工作氣體離化,形成離子束流的裝置。在類金剛石膜的沉積過程中,形成sp3鍵所 需要的最小離子能量為30ev,而且隨著離子能量的增加sp3鍵的含量也隨之增加。理論上, 當(dāng)給射頻源充入烷烴類反應(yīng)氣體時(shí),射頻源就可實(shí)現(xiàn)類金剛石膜的沉積。而基片到離子源 的距離稱為靶基距。通過紅外光譜特性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如下1、放電電流對(duì)沉積速率的影響在給射頻源充入丁烷氣體且流量為40SCCm,靶基距為180mm,射頻功率為800W時(shí), 離子源的放電電流越大,引出的束流密度越大,薄膜的沉積速率越高,但當(dāng)放電電流過大, 即沉積速率過高時(shí),所沉積的類金剛石膜極易脫落。2、靶基距對(duì)沉積速率的影響靶基距不僅影響膜層的沉積速率,而且影響到達(dá)基片表面離子的能量。當(dāng)靶基距 小于150mm時(shí),所沉積的DLC膜很容易脫落。隨著靶基距的增加,膜層的沉積速率下降,但 膜層的均勻性趨于好轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,當(dāng)靶基距為250mm時(shí),膜層厚度均勻性(士5% )范 圍可達(dá)到Φ 50mm。3、放電電壓對(duì)膜層硬度的影響離子源的放電電壓影響放電電流,決定引出離子的能量。而離子能量是決定DLC 膜結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。當(dāng)離子能量很低時(shí),不足以提供形成sp3鍵所需的能量,只能形成松散 的sp2鍵結(jié)構(gòu);當(dāng)離子能量過大時(shí),又會(huì)促使sp3鍵向sp2轉(zhuǎn)變,形成致密的sp2鍵結(jié)構(gòu)。 只有適當(dāng)?shù)碾x子能量才能形成致密的類金剛石膜。3、放電電流對(duì)膜層折射率的影響對(duì)于研究類金剛石薄膜的光學(xué)性能而言,膜層折射率是一個(gè)非常重要的參數(shù)。當(dāng) 放電電流逐漸增大時(shí),折射率逐漸減小,隨后隨著放電電流的增加而增大。分析原因,這主 要是由于隨著放電電流的增加放電電壓隨之增加,最終導(dǎo)致離子能量的增加,在開始階段 由于離子能量較小,不利于sp3鍵的形成,當(dāng)放電電流過大以后,放電電流的增加引起離子 能的增加,從而利于s p3鍵的形成,使膜層sp3鍵增加而更接近金剛石的折射率。4、硅基底3 5μπι實(shí)測(cè)紅外光譜曲線當(dāng)雙面拋光的厚度為Imm的硅基片的單面鍍制DLC膜后,在3 5 μ m范圍內(nèi),峰 值透過率達(dá)69以上,平均透過率67. 5%以上。由于此方法所沉積的DLC膜為含氫類金剛石 膜,存在C2H鍵的伸縮振動(dòng)吸收,使其在2325cm-l (即4. 3 μ m)處存在一個(gè)吸收峰。實(shí)驗(yàn)證 明,此吸收峰的大小不僅與沉積DLC膜的工藝有關(guān),還與沉積DLC膜時(shí)所用工作氣體的種類有關(guān)。 以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示,通過上述的說明內(nèi)容,相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi),進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù) 性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容,必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。
權(quán)利要求
一種紅外光學(xué)元件表面成型類金剛石膜工藝,其特征在于首先向碳膜機(jī)內(nèi)放置單晶硅的基片,接著在碳膜機(jī)內(nèi)抽真空,碳膜機(jī)內(nèi)的工作氣壓為1.3×10-1Pa--1.3×10-3Pa時(shí)停止抽真空,接著向碳膜機(jī)的射頻源充入氬氣,同時(shí)射頻源放電將氬氣離子化后形成氬離子,氬離子對(duì)準(zhǔn)基片進(jìn)行8-12分鐘的轟擊,然后停止釋放氬氣,最后向碳膜機(jī)內(nèi)充滿工作氣體丁烷,即單晶硅基片表面沉積形成類金剛石膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)元件表面成型類金剛石膜工藝,其特征在于該工 藝的工作條件為射頻源與基片的距離為180mm,氣體丁烷充入的流量為40sCCm,射頻功率 為 800w。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)元件表面成型類金剛石膜工藝,其特征在于該工 藝的工作條件為射頻源與基片的距離為150 250mm之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種紅外光學(xué)元件表面成型類金剛石膜工藝,其特征在于首先向碳膜機(jī)內(nèi)放置單晶硅的基片,接著在碳膜機(jī)內(nèi)抽真空,碳膜機(jī)內(nèi)的工作氣壓為1.3×10-1Pa~1.3×10-3Pa時(shí)停止抽真空,接著向碳膜機(jī)的射頻源充入氬氣,同時(shí)射頻源放電將氬氣離子化后形成氬離子,氬離子對(duì)準(zhǔn)基片進(jìn)行8-12分鐘的轟擊,然后停止釋放氬氣,最后向碳膜機(jī)內(nèi)充滿工作氣體丁烷,即單晶硅基片表面沉積形成類金剛石膜。該工藝制成的類金剛石膜性能優(yōu)越,抗腐蝕,硬度高。
文檔編號(hào)C23C16/27GK101831625SQ201010185770
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者李爽, 谷華, 陳國清 申請(qǐng)人:江蘇南晶紅外光學(xué)儀器有限公司