類金剛石碳剝離膜的制備及其性能研究

樊啟文，杜英輝，張 榕，夏清良（中國原子能科學研究院核物理研究所，北京 102413）

類金剛石碳剝離膜的制備及其性能研究

樊啟文，杜英輝，張 榕，夏清良
（中國原子能科學研究院核物理研究所，北京 102413）

摘要：采用磁過濾陰極真空弧（FCVA）技術(shù)制備了質(zhì)量厚度為5～7μg／cm2的類金剛石碳（DLC）剝離膜。用XP2U型精密電子天平測試分析了φ100mm范圍內(nèi)的DLC剝離膜均勻性，結(jié)果顯示其最大不均勻性小于10%。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、萬能摩擦磨損試驗機和X光電子譜（XPS）測試分析了DLC剝離膜的表面形貌、耐磨損特性和結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示采用雙90°FCVA技術(shù)沉積的DLC剝離膜表面光滑致密、耐磨，幾乎沒有大顆粒的污染，表征金剛石特性的sp3鍵含量超過70%。

在北京HI－13串列加速器上使用107Ag－、70Ge－、48Ti－、28Si－、197Au－和127I－六種典型質(zhì)量的離子束對質(zhì)

量厚度為5～7μg／cm2的DLC剝離膜和碳剝離膜壽命進行測試比較，結(jié)果顯示DLC剝離膜壽命比碳剝離膜的高2．6～10倍。

關(guān)鍵詞：類金剛石碳；剝離膜；磁過濾陰極真空弧；壽命；結(jié)構(gòu)

碳是自然界分布廣泛的元素，具有多種存在形式，如金剛石、石墨、無定形碳、碳納米管和富勒烯等。盡管這些形態(tài)的碳性能存在很大差異，但究其根源是由于碳可形成多種穩(wěn)定的雜化狀態(tài)，即sp1雜化、sp2雜化和sp3雜化。在sp3鍵合方式中，碳原子的4個價電子分別在呈四面體結(jié)構(gòu)的4個sp3軌道上與鄰近原子構(gòu)成σ鍵。在sp2鍵合方式中，3個價電子在呈平面三角形的sp2軌道上形成σ鍵，第4個價電子則位于垂直于σ鍵平面的Pz軌道，并與鄰近的Pz軌道形成弱鍵合的π鍵。在sp1鍵合方式中，只有兩個價電子在Px軌道形成σ鍵，Py和Pz軌道的電子形成π鍵［1－5］。

20世紀70年代初，Aisenberg等［6］首次制備了一種非晶碳膜，因其有諸多與金剛石相似的性能而命名為類金剛石碳（DLC）膜。DLC膜是一種亞穩(wěn)態(tài)的長程無序的非晶碳材料，碳原子間的鍵合方式為共價鍵，主要包含sp2和sp3兩種雜化方式，sp1比例較小，可忽略不計。由于其同時含有類似于金剛石的sp3雜化和類似于石墨的sp2雜化，因而表現(xiàn)出介于金剛石和石墨之間的性質(zhì)。DLC膜的性質(zhì)主要由sp2和sp3雜化的相對含量決定，由于不同工藝制備的DLC膜中sp3鍵的含量變化范圍較大，因而其性能也有所不同。

目前使用交直流碳弧法制備的碳剝離膜用于大流強低能重離子的剝離時壽命太短，國際上有加速器實驗室使用DLC剝離膜代替普通碳剝離膜，在壽命上取得了較好效果［7］。制備DLC剝離膜的常用方法有激光等離子體燒蝕法［8－10］、直流輝光濺射法［7，11－12］、等離子體增強化學氣相沉積法和磁過濾陰極真空弧（FCVA）沉積法等［2］。

本工作采用FCVA技術(shù)制備DLC剝離膜來代替目前的交直流碳弧法制備的碳剝離膜，以期提高剝離膜的壽命。

1　實驗裝置和實驗方法

圖1為FCVA裝置的三維和原理示意圖。該裝置的核心部件為弧源和磁過濾彎管，由1個石墨陰極弧源和兩個單90°偏轉(zhuǎn)磁過濾器組成。陰極弧源主要由負電位的陰極（直徑為50mm、純度為99．999%的高純石墨）和地電位的陽極組成。磁過濾器是1個具有螺旋管電磁線圈的銅彎管，電磁線圈提供控制等離子體運動的外加磁場，它的作用一方面是過濾和阻擋不帶電的宏觀顆粒，另一方面則是利用磁過濾器建立磁場，把由弧源產(chǎn)生的等離子體導向給定的彎曲軌道，進而引導離子進入鍍件所在的沉積室，經(jīng)過濾后的等離子體達到近乎100%的離化率。

圖1　 磁過濾陰極真空弧裝置的三維（a）和原理（b）示意圖Fig．1 3D（a）and principle（b）schematics of FCVA

將清洗晾干后的P型〈100〉單晶Si片裝入真空室中的樣品夾具臺架上。沉積期間，工件盤始終保持自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)速率分別為30r／min和15r／min）。沉積時，在電弧穩(wěn)定之前用擋板擋住基襯，實驗的主要工藝參數(shù)列于表1。DLC剝離膜的后期漂膜、松弛和烘烤等制作工藝類似于文獻［8－10］的制作工藝。

表1　 沉積DLC剝離膜的工藝參數(shù)Table 1 Parameter of depositing DLC stripper foil

2　DLC剝離膜均勻性、結(jié)構(gòu)及性能的測試

2．1 均勻性

本工作測試分析有效鍍膜尺寸為100mm× 100mm范圍內(nèi)的DLC剝離膜（按表1中的參數(shù)沉積，沉積時間為12min）的均勻性，測試方法采用掛片鍍膜天平稱重法。具體方法如下：1）在150mm×150mm×3mm的鋁質(zhì)基板上的100mm×100mm范圍內(nèi)通過數(shù)控機床均勻分布地加工36個臺階孔（通孔直徑為12mm，臺階直徑為15mm，孔間距為2mm）；2）在36個基板臺階孔上安置Al箔（厚度約10μm），通過XP2U型千萬分之一精密電子天平（0．1μg）測量沉積DLC剝離膜前后的每片Al箔的質(zhì)量，并計算出每片DLC剝離膜的質(zhì)量厚度，最后計算分布在36個臺階孔位置的DLC剝離膜的均勻性，并用此來表征100mm×100mm范圍內(nèi)的DLC剝離膜的均勻性。測試數(shù)據(jù)列于表2。

表2　 DLC剝離膜均勻性的測試數(shù)據(jù)Table 2 Data of uniformity for DLC stripper foil

由表2可知：1）在上述工藝條件下，制備的DLC剝離膜平均質(zhì)量厚度為6．7μg／cm2，厚度分布中間厚，周圍薄，四邊角位置的DLC剝離膜最薄；2）對于在有效鍍膜尺寸為100mm× 100mm的基襯上沉積DLC剝離膜，最大不均勻性為14．9%，若考慮φ100mm的范圍（即舍棄四角的4片DLC剝離膜），則最大不均勻性為8．82%。

2．2 表面形貌

由于真空弧產(chǎn)生的等離子體中存在大顆粒或微粒（石墨電極尤其嚴重），這樣直接沉積的碳膜性能大幅降低，雙磁過濾器能將大部分不帶電的大顆粒過濾掉。圖2a為通過S4800型掃描電子顯微鏡（SEM）測試的DLC剝離膜（約60μg／cm2）表面形貌。圖2b為在原子力顯微鏡（AFM）下觀察的取樣面積為1μm2時的DLC剝離膜（約60μg／cm2）表面形貌，并通過分析軟件v720r1分析得到其相應(yīng)的粗糙度，即Rq＝0．325nm，Ra＝0．234nm。

由圖2結(jié)果可見，磁過濾器沉積的DLC剝離膜表面光滑致密，幾乎沒有大顆粒的污染。

圖2　 DLC剝離膜的SEM圖（a）和AFM圖（b）Fig．2 SEM（a）and AFM（b）images of DLC stripper foil

2．3 耐磨損性能

DLC剝離膜及其Si襯底的摩擦性能在MMW－1型萬能摩擦試驗機上測試。試驗條件為：加載的試驗力為10N和20N兩種載荷，轉(zhuǎn)速為200r／min，摩擦時間均為10min。采用φ12mm的鉻鋼圓盤原地旋轉(zhuǎn)摩擦，分別測試了Si襯底及其表面DLC剝離膜（約60μg／cm2）連續(xù)摩擦10min后摩擦因數(shù)μ的變化，測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可看出：Si襯底在磨損開始階段摩擦因數(shù)較底（表明Si襯底表面較光滑），在0．1以下，之后迅速變大，最后穩(wěn)定在0．3（加載10N的載荷）和0．4（加載20N的載荷）左右；DLC剝離膜的摩擦因數(shù)很低，且受摩擦時間的影響很小，基本維持在0．1以下，在加載10N和20N的試驗力時區(qū)別不明顯。總之，DLC剝離膜的摩擦因數(shù)遠低于Si襯底的摩擦因數(shù)。從圖3還可看出，經(jīng)10 min摩擦后，DLC剝離膜的摩擦因數(shù)仍基本保持不變，說明DLC剝離膜耐磨損。沉積的DLC膜光潔度和耐磨性好，說明碳等離子體成膜的致密性更好。

圖3　 摩擦因數(shù)與摩擦時間的關(guān)系Fig．3 Relationship between friction factor and time

2．4 XPS測試分析

X光電子譜（XPS）采用AXIS ULTRADLD型XPS譜儀測試，X射線源為單色化Al靶，X射線源工作功率為150 W，樣品分析區(qū)域為700μm×300μm。圖4為沉積在硅襯底上厚度約60μg／cm2的DLC剝離膜的XPS。XPS測試分析結(jié)果顯示sp3鍵含量為71．56%。

2．5 壽命測試分析

圖4　 DLC剝離膜的XPSFig．4 XPS of DLC stripper foil

剝離膜的壽命定義為在入射流強不變的條件下，經(jīng)剝離后的離子束流強從開始照射到下降50%的時間［7］。

用107Ag－、70Ge－、48Ti－、28Si－、197Au－和127I－六種典型質(zhì)量的離子束（束斑為φ8mm）對DLC剝離膜和交直流碳弧法制備的碳剝離膜壽命進行了測試，在注入離子能量和流強（低能端）不變的條件下，壽命測試結(jié)果列于表3。從表3可看出：DLC剝離膜壽命比碳剝離膜的高2．6～10倍；對于流強越大和質(zhì)量越重的離子束，二者壽命差別越大。

表3　 DLC剝離膜壽命測試結(jié)果Table 3 Test result of lifetime for DLC stripper foil

3　總結(jié)

本文系統(tǒng)研究了FCVA技術(shù)制備DLC剝離膜的工藝，采用掛片鍍膜天平稱重法測試分析了φ100 mm范圍內(nèi)的DLC剝離膜的均勻性，結(jié)果顯示最大不均勻性為8．82%。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和萬能摩擦磨損試驗機測試分析了DLC剝離膜的表面形貌、粗糙度及耐磨損特性，結(jié)果顯示DLC剝離膜表面光滑致密、耐磨，幾乎沒有大顆粒的污染。通過XPS測試分析了DLC剝離膜的結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示DLC剝離膜中sp3鍵含量為71．56%。在北京HI－13串列加速器上對DLC剝離膜和碳剝離膜壽命進行了測試比較，DLC剝離膜壽命比碳剝離膜的高2．6～10倍，且對于流強越大和質(zhì)量越重的離子束，二者壽命差別越大。

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Preparation and Property Investigation of Diamond－like Carbon Stripper Foil

FAN Qi－wen，DU Ying－h(huán)ui，ZHANG Rong，XIA Qing－liang
（China Institute of Atomic Energy，P．O．Box275－62，Beijing102413，China）

Abstract：The diamond－like carbon（DLC）stripper foils with 5－7μg／cm2in thickness were produced by using the filtered cathodic vacuum arc（FCVA）technology．The uniformity of the DLC stripper foils was measured by the XP2Ubalance．The results show that the maximum inhomongeneity of the DLC stripper foils in the range of φ100mm is less than 10%．The structures and properties of the DLC stripper foils were also evaluated and analyzed by scanning electron microscopy（SEM），atom force microscopy（AFM），tribometer and X－ray photoelectron spectroscopy（XPS）．The SEM，AFM images and wear test results show that the DLC stripper foils are smooth and tense，and contain hardly droplets through the double 90°filters．The X－ray photoelectron spectrum indicates the sp3bonds of the DLC stripper foils exceed 70%．Irradiation lifetimes and the DLC stripper foils with 5－7μg／cm2were tested and compared with the107Ag－，70Ge－，48Ti－，28Si－，197Au－and127I－ion beams at the Beijing HI－13Tandembook=1510,ebook=172Accelerator．The results indicate that the lifetime of DLC stripper foil is 2．6－10times than that of the carbon stripper foil．

Key words：diamond－like carbon；stripper foil；filtered cathodic vacuum arc；lifetime；structure

作者簡介：樊啟文（1980—），男，江西南昌人，高級工程師，博士，從事薄膜與靶材料研究

基金項目：國家自然科學基金資助項目（11205251）

收稿日期：2014－04－05；修回日期：2014－11－18

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1509

文章編號：1000－6931（2015）08－1509－06

文獻標志碼：A

中圖分類號：O484．1