用类金刚石碳镀覆刃口的方法技术

本发明专利技术涉及在基体（２２）上形成类金刚石碳膜的方法，包括的步骤为：将所述基体暴露在一种烃类气体环境中，并且，在所述环境中，在高离子通量和可控的、低离子能量轰击的条件下，产生电子密度大于约５×１０↑［１０］／ｃｍ↑［３］和覆层厚度小于约２ｍｍ的等离子体。而且，本发明专利技术还涉及一种制成品，它包括：具有一个表面的基体和在所述表面上的类金刚石碳膜，其中所述膜的硬度高于约２０ＧＰａ，而且，在采用场发射扫描电子显微镜，在５０，０００Ｘ的放大倍数下观察时，所述膜中不存在可分辨的直径等于或大于３００Ａ的晶粒。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及化学气相沉积领域，更具体而言，涉及高质量的、类金刚石碳薄膜在部分封闭或斜角很大的表面上的等离子体增强化学气相沉积。氢化的、无定形碳(a-CH)的硬薄膜，也称作类金刚石碳(DLC)膜，可以通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)在金属表面上形成。已知的用于获得这种膜的PECVD方法产生的离子密度低(～1010cm3)。该已知方法产生的等离子体的覆盖层(sheath)厚度范围宽(0.5-1.0cm)，不能与基体细小的表面变化相一致(～0.1mm)。因此，在该已知方法中，经加速的穿过该覆层的离子垂直于基体宏观表面进行具有上述特点的沉积过程。在这些条件下，有斜角的基体表面，例如剃刀刀刃(一般在一叠层刀片中，两个刀尖间的间隔为100μm)，受到的是非垂直的反应性离子流的作用。据认为，这些条件会引起某些沉积物质的自我遮蔽，从而导致a-CH膜的柱状生长。也认为，低的等离子密度会在基体表面上产生较低的离子-原子比。吸附原子表面的可迁移性很差，例如在基体温度低(T/T熔化＜0.1)且离子流量小的情况下，在斜角很大的基体上进行沉积，也被认为会加大a-CH膜的柱状生长。这种柱状生长会使得膜中含有空洞和晶界，造成机械强度劣化。在低密度的RF电容耦合的等离子体反应器中，在斜角很大的基体如剃刀刀片上进行a-CH膜的PECVD时可观察到这种柱状生长。所述已知方法的沉积速率也低。该已知方法的低的电子密度不能有效地分解烃类原料气体。因此，在低密度的等离子体中，前体的分子碎片的数目很少。例如，电容耦合的等离子体PECVD沉积a-CH时的典型的沉积速率在20nm/分钟的量级。这种低的沉积速率阻碍加工量的提高并使该方法效益很差。本专利技术是对在基体表面上，如金属基体表面上，化学气相沉积a-CH膜的改进。概括地，本专利技术包括在产生敷形覆层，离子通量大以及离子轰击可控且能量低的条件下，进行a-CH膜的化学气相沉积。本专利技术包括将基体暴露在一种烃类气体环境中，并在该环境中，在离子通量大以及离子轰击可控且能量低的条件下，产生电子密度高于约5×1010/cm3且覆层厚度小于约2mm的等离子体。可实现敷形覆层、离子通量大，离子轰击可控且能量低的本专利技术的条件包括离子电流密度(Ji)大于约2mA/cm2，偏压(-V偏压)在约100-1000V范围内。这种条件使得能够在针尖、剃刀刀刃、切削刀头和刃口，以及其它尖锐的、斜角的或锋利的表面，或者其它部分封闭的或角度很大的表面如某些书写仪器(笔尖，笔的球座，等)上存在的表面上形成坚硬且密实的类金刚石碳(a-CH)膜，而且不会出现其它已知方法中的膜的柱状生长现象。尤其是，在本专利技术的一个方面中，使用一种基体偏压与等离子体功率的控制无关的感应耦合等离子体化学气相沉积反应器来分解烃类原料气体如C4H10。基体或工件，如并排叠放的剃刀刀片安置在位于反应器的真空等离子体室内部的卡盘上。所述卡盘通过阻抗匹配电路与一个射频(RF)电源(例如13.56MHz)相连接。在使离子通量最大化(即对于感应耦合的等离子体RF功率高)和适中的基体偏压(如，在优选的实施方案中，Ji＞～3mA/cm2且～200V＜-V偏压＜～500V)的条件下产生等离子体。加到卡盘上的电能可调整由等离子体提供的施加到基体上的离子能量，因此产生与基体偏压无关的等离子体放电。这样，就获得了同时具有由中到低的离子轰击能和高离子通量，也可以使用能够获得高密度等离子体的其它方法。这些方法包括微波的、电子回旋共振的，以及其它先进的RF等离子体产生方法，例如螺旋波源和螺旋共振器。根据本专利技术的另一个方面，在基体与类金刚石碳膜之间可以使用一中间层。该中间层可选自于硅、碳化硅、钒、钽、镍、铌、钼以及这些材料的合金。经验证实，硅作为这种中间层的材料的效果特别好。感应耦合等离子体的高效率能够产生约10倍于传统RF电容耦合等离子体的离子通量。这些条件产生的优点包括覆层宽度减小，离子-原子比增大，而且，沉积速率非常高。覆层宽度的减小使得能够对基体表面的更小的结构和变化进行敷形覆盖，敷形覆层使得离子垂直地或者以小角度轰击表面，从而导致密实的膜形成。离子-原子之比值的增大导致吸附原子的表面迁移性增加，以及密度更大的膜的沉积。沉积速率的提高，其原因在于等离子体的更充分分解，会造成产量的增加和成本的降低。由于这些优点，就可以以高的沉积速率生产类金刚石碳膜，所述膜具有密实的膜结构(即，降低机械强度的柱状晶或孔洞显著减少或根本没有)和高的硬度(膜硬度大于约20GPa)，从而降低了每单件的生产成本。所述方法还具有另外的优点，包括由于强烈的离子通量轰击使得切削刃口能够进行自锋利(溅射锋利)，采用氧等离子体对工作室的高速率清洗以及在沉积之前使用的任何等离子体预清洗步骤期间，快速的处理。通过下面的结合附图所进行的详细介绍，将会更全面地了解本专利技术，所述附图中附图说明图1是一用于实施本专利技术的感应耦合等离子体化学气相沉积反应器的横截面图；图2示出的是以离子电流/RF感应功率，平均基体偏压和覆层厚度描述本专利技术的图；图3示出的是根据本专利技术所产生的膜的硬度与RF感应功率和平均基体偏压之间的关系；图4示出的是根据本专利技术所产生的膜的硬度与平均基体偏压之间的关系；图5是采用传统的电容耦合等离子体增强化学气相沉积在剃刀刀片上沉积的类金刚石碳膜的横截面的显微照片(50,000X)；图6是在本专利技术的示范性实验中沉积在剃刀刀片上的类金刚石碳膜截面的显微照片(50,000X)；图7是在本专利技术的又一个示范性实验中沉积在剃刀刀片上的类金刚石碳膜的截面的显微照片(50,000X)；图8是在本专利技术的再一个示范性实验中，沉积在剃刀刀片上的类金刚石碳膜的截面的显微照片(50,000X)；图9是在本专利技术的又一个示范性实验中，沉积在剃刀刀片上的类金刚石碳膜的截面的显微照片(50,000X)；图10是采用传统的电容耦合等离子体化学气相沉积方法沉积在剃刀刀片刃口上的类金刚石碳膜的立体图的显微照片(50,000X)；图11是采用传统的电容耦合等离子体化学气相沉积方法沉积在剃刀刀刃上的类金刚石碳膜的截面的显微照片(50,000X)；图12是根据本专利技术沉积在剃刀刀片上的类金刚石碳膜的立体图的显微照片(50,000X)；图13是根据本专利技术沉积在剃刀刀刃上的类金刚石碳膜的截面的显微照片(50,000X)；图14示出的是本专利技术的沉积速率与RF感应功率之间的关系；图15A为本专利技术的又一实施方案的示意说明图；图15B示出的是图15A的实施方案中的脉冲RF偏压的一个实施例；图16示出的是本专利技术的脉冲偏压膜的硬度与膜的内应力间的关系曲线，作为比较，连续波偏压膜的结果也在该图中示出；以及图17示出的是用于实施本专利技术的工艺流程实例的流程图。本专利技术通过等离子体增强化学气相沉积，改善了在基体上形成的类金刚石碳膜。根据本专利技术，在高离子通量和可控的，低能量的离子轰击条件下，采用等离子体增强化学气相沉积来进行烃类气体的分解将在基体上形成硬且密实的a-CH膜，而没有其它已知方法中柱状生长之类的情形出现，即使基体形状古怪或存在斜角也是如此。本专利技术包括将一基体暴露在一烃类气体环境中，并在该环境中，在高的离子通量和可控的、低能量的离子轰击条件下，产生电子密度大于约5×101本文档来自技高网...

【技术保护点】
在基体上形成类金刚石碳膜的方法，其包括的步骤为：将所述基体暴露在一种烃类气体环境中；以及在所述环境中，在高的离子通量和可控的、低能量的离子轰击条件下，产生电子密度大于约５×１０↑［１０］／ｃｍ↑［３］以及覆层厚度小于约２ｍｍ的等离子体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JA霍普伍德，DL帕帕斯，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]