基于多輪廓型腔結構件表面DLC薄膜的制備與性能研究

王德山，胡兵兵，徐匯音，李奇亮，李衛國

制造工藝

基于多輪廓型腔結構件表面DLC薄膜的制備與性能研究

王德山，胡兵兵，徐匯音，李奇亮，李衛國

（蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州215131）

類金剛石碳膜是力學綜合性能、耐磨損、耐腐蝕和透光性能好的薄膜，在先進制造技術領域得到了越來越多的應用。通過類金剛石（DLC）薄膜制備方法與機械特性的闡述，對不同磁控濺射法對多輪廓型腔結構件表面DLC薄膜結構性能的干擾制約，以及DLC薄膜工藝技術制定方案的關鍵問題進行深入探究。

類金剛石碳膜DLC；磁控濺射；多輪廓型腔；工藝性能

類金剛石碳膜（DLC）是硬度較高的新型膜材，具有良好的綜合力學、化學和光學性能等特征，在模具表面改性和微電子機械系統等方面得以應用[1-3]。類金剛石薄膜的研究和應用越來越多，其機械性能與金剛石薄膜相近，而生產成本較低，其技術經濟性占有明顯的優勢，有廣闊的發展潛能。很多學者對DLC薄膜的結構及機械特性做了大量的實驗研究[4-6]。本文綜述了DLC薄膜制備方法以及磁控濺射制備工藝參數對DLC薄膜結構、機械性能的制約因素，希望指導制備出性能更好更適用于多輪廓型腔結構件的DLC薄膜。

1 DLC薄膜的制備與性能

1.1 DLC薄膜的制備

DLC薄膜生產國內外主要采用磁控濺射物理氣相沉積法、離子束沉積法、真空陰極電弧沉積法、等離子體增強化學氣相沉積法等。這里著重介紹以上幾種方法制備DLC薄膜工藝和產品特點。

（1）離子束沉積（IBD）制備DLC薄膜。主要以烴、石墨為碳來源，采取熱電子發射得到C或碳氫離子，再加速得到能量作用于基體面制得三維網狀的DLC薄膜[1]。見圖1.

圖1 IBD法制備DLC薄膜機理[1]

（2）磁控濺射（MS）是沉積DLC膜常用方法。制備以高純石墨靶為靶材，以Ne、Ar等為工作氣體，真空下輝光放電，產生的氣體離子附加偏壓轟石墨靶，濺射出來的碳離子運動到基體上形成薄膜。這里主要有：高純石墨靶的濺射功率，濺射時的氣壓、偏壓、溫度等指標是需要注意的。

（3）真空陰極電弧沉積（VCAD）方法。以Ne、Ar等為工作氣體中弧光放電作用于靶材而獲得離子狀態的碳，從而在基片上得到DLC薄膜。這種方法所用設備不是很復雜，而離化和沉積效果非常顯著，具有產業化推廣的優勢。但是使用石墨靶材導致DLC薄膜富含其顆粒，而降低了這種方法制得的薄膜質量品質。

（4）等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）制DLC薄膜。以碳氫氣體作為主要碳的來源，這種方法常用平板射頻反應系統，直流輝光放電、微波等離子體、電子回旋共振系統等[5]。見圖2.

圖2 PECVD方法制備DLC薄膜[5]

1.2 DLC薄膜的性能

類金剛石DLC薄膜的硬度接近或高于金剛石，主要取決于所制備的薄膜里所含sp3鍵的數量。采取不同的生產方法來得到類金剛石薄膜，其中的sp2鍵和sp3鍵的數量也不一樣。DLC膜具有高的內應力，通常是壓應力，其內應力主要來源于能量粒子的轟擊，它是能夠形成薄膜的主要因素。內應力主要與工作的氣體壓力、附加偏壓、粒子能量等有關。DLC膜中的內應力是和附加偏壓成正比例關系的，偏壓大致使內應力加大。這里要說明一點，碳原子進入薄膜中，內應力存在由于熱峰效應而降低，還有sp2鍵和sp3鍵轉變使得DLC薄膜內應力減少現象。這樣，DLC薄膜的性能根據使用性能而使其可控。

2 磁控濺射涂鍍DLC膜的機理

2.1 磁控濺射原理

濺射首先是帶有高能離子或離子束轟擊靶材表面，入射離子經過系列復雜的能量和動能交換過程。如真空通入Ar氣放電產生Ar+，經偏壓加速轟擊陰極靶，由于動量使靶原子相互碰撞產生級聯過程。磁控濺射鍍膜就是被轟擊下來的粒子沉積于所要鍍制的器件上面[7]。

2.2 DLC薄膜生長機理

DLC膜是一個物理氣相沉積反應，粒子能量、沉積注入速率和溫度控制顯得尤為重要。帶有適當能量的粒子注入襯底表面，產生應力而薄膜密度提高，sp3鍵成分形成。如果能量粒子太低或太高，都不利于sp3雜化鍵成分的生成。如果粒子能量接近或達到21 keV時，靶熱量集中便會產生嚴重的后果，致使薄膜將會形成完全的石墨納米晶現象[8]。如圖3所示為粒子淺注入模型示意圖。

圖3 淺注入模型示意圖[8]

3 不同磁控濺射工藝對DLC薄膜性能的影響

3.1 不平衡磁控濺射

不平衡磁控濺射的技術關鍵是：改變濺射工作環境中的磁場強度，也就是濺射沉積范圍內的磁場不均衡。在濺射沉積成膜過程中，提高了氬離子數量，其輔助沉積性能增強，可以讓薄膜特征，特別是結合強度即附著性提高。這樣的不平衡磁控濺射成膜工藝對類金剛石薄膜的性能具有積極一面。

3.2 不同電源頻率的磁控濺射

在磁控濺射中按能夠得到等離子體的電源頻率情況，大致分為直流、射頻和中頻幾種情況。如果工作狀態下的場強恒定，頻率不同而靶材濺射速率也不同。一般情況下，盡量使得電源頻率選擇低一些為宜，因為頻率高會導致靶材的濺射效率降低。

4 結束語

DLC薄膜在多輪廓型腔復雜結構制件的應用中，對薄膜的制備工藝、成膜機理等研究是關鍵，DLC薄膜的性能至今仍無法滿足高性能機械零件的要求，需進一步優化DLC薄膜的制備工藝。復雜型腔結構件的DLC薄膜通常采用磁控濺射法制備，成本相對較高。DLC薄膜的耐磨系數與薄膜硬度和膜基結合力緊密相關，研究制備工藝及摻雜對薄膜膜基結合系數的影響規律，提質降耗，制備出更高強度的，適用于多輪廓型腔結構件的DLC薄膜是今后的努力方向。

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Based on Multi Contour Cavity Structure Surface Preparation and Properties of DLC Thin Films

WANG De-shan，HU Bing-bing，XU Hui-yin，LI Qi-liang，LI Wei-guo
（School of Mechanical and Electric Engineering，Soochow University，Suzhou Jiangsu 215131，China）

Diamond like carbon film is a kind of thin film with comprehensive mechanical properties，wear resistance，corrosion resistance and light transmission performance.It has been used more and more in advanced manufacturing technology.The diamond-like carbon(DLC)method and the mechanical properties of thin films were prepared on different interference constraints on magnetron sputtering on the microstructure and properties of DLC film surface multi contour cavity structure，key problems and technology of DLC film making program of in-depth research.

diamond-like carbon film DLC；Magnetron sputtering；contour cavity；process performance

TG174.4

A

1672-545X（2017）07-0069-03

2017-04-25

江蘇省基礎研究計劃（自然科學基金）面上研究項目（編號：BK20151220；項目名稱：“多輪廓型腔結構件磁控濺射類金剛石碳膜附著機理研究”）

王德山（1965-），男，黑龍江海倫人，教授，碩士生導師，主要研究方向為先進制造技術。