第一章节薄膜制备的真空技术基础幻灯片.pptVIP

介绍第二种薄膜材料：DLC 膜 Ref: J. Robertson, Materials Science and Engineering R, 37 (2002) 129 介绍第二种薄膜材料：DLC 膜 DLC 膜是一种含有大量sp3 的亚稳态非晶碳薄膜, 碳原子间主要以sp3 和sp2 杂化结合, sp含量较少。DLC 的结构可以看成是由sp2( 石墨)和sp3( 金刚石) 杂化的碳原子高度交联的网状结构和孤立的团簇所组成, 因而DLC 膜的结构和性能介于金刚石和石墨之间。受沉积环境和沉积方式的影响, DLC 膜中还可能含氢等杂质, 形成各种C- H 键。 根据薄膜中碳原子的键合方式( C- H, C- C, C= C) 及各种键合方式比例的不同,DLC 膜可分为含氢DLC (hydrogenated amorphous carbon (a- C∶H)) 膜和无氢DLC(amorphous carbon (a- C))膜两大类。 现在主要是用各种气相沉积方法制备DLC 膜,根据原理不同, 可分为化学气相沉积(chemical vapor deposition (CVD)) 和物理气相沉积(physical vapor deposition(PVD))两大类。 含氢DLC 膜一般由化学气相沉积制备, 无氢DLC 膜一般由物理气相沉积制备。这些制备方法的共同特点都是在薄膜的生长过程中受到中等能量离子束的轰击。离子束的轰击将有利于致密的、具有较多sp3 的DLC 膜形成。 DLC 膜的制备方法 影响DLC 膜性能的主要参数是膜中sp2 和sp3 的含量、H 的含量以及薄膜的微观结构，而这些参数又直接受控于生长过程中轰击薄膜生长表面的正离子的能量和强度以及等离子体中被激发和被离化的、对薄膜生长有贡献的含碳基团的浓度。 DLC膜的硬度、密度、sp2 和sp3 的含量与沉积的离子能量有关, 并随沉积离子能量的变化有一最大值, 当能量过高时沉积的DLC 膜会发生石墨化转变。研究表明, 当沉积的C+ 离子能量在100 eV 左右时, 沉积所得的DLC 膜sp3 含量最高。下图为几种典型的PVD 技术产生的沉积粒子的能量范围。 沉积DLC膜的装置简图 离子束沉积方法是以石墨或碳氢化合物气体(CH4、C2H2、C2H4、C6H6)等)为碳源, 通过电弧蒸发、离子束溅射或热丝电子发射产生碳或碳氢离子, 通过偏压加速引向基体, 荷能离子作用于基体表面而形成DLC 膜。 离子束辅助沉积法(ion beam assisted deposition (IBAD))是在离子束沉积技术的基础上发展起来的, 即在电子束蒸发沉积或离子束溅射沉积的同时以荷能离子束轰击膜的生长表面以提供形成DLC 膜所需的能量。辅助离子束的轰击, 有利于膜基之间界面的结合 ,薄膜生长致密, 增加sp3 的含量, 使薄膜的性能获得很大的提高。 该方法是以石墨为碳源, 利用射频振荡或直流激发的惰性气体(Ar、He) 离子轰击石墨靶, 溅射出来的碳原子(或离子)在基体表面上形成DLC 膜, 当通入气体是Ar 和H2(或碳氢气体)混合气时可制得含氢DLC 膜。 这种方法是在惰性气体中以电 弧放电烧蚀石墨靶产生碳离子, 基体施加负偏压来实现DLC 膜的沉积。 XRD pattern of the film deposited at 80 eV ion energy (a) SEM image of the film deposited at 80 eV ion energy, and (b) an enlarged image. 左：热偶真空硅管；右：电离真空硅管 第1章 薄膜制备的 真空技术基础 1. 真空的定义：真空泛指压力低于一个 大气压的任何气态空间。 1.1 真空的基本知识 2. 真空度的单位 真空度实质上与气体压力是同一物理概念。真空度越高，即气体压力越小；反之真空度越低，即气体压力越大。真空度的上限就是一个标准大气压，即760毫米汞柱。 1.1 真空的基本知识 ---大气压(atm): 标准的大气压力定义为1 atm ---帕(Pa): N/m2 (常用单位：Pa) ---巴(Bar): Dy/cm2, (常用单位：mBar) ---乇(Torr):1/760 atm, (常用单位：Torr) 1.2 气体分子运动论的基本概念 1、气体分子的平均运动速度Va 温度越高、气体分子的相对原子质量越小，则分子的平均运动速度越大。 （1） 2、气体的压力 （2） 3、碰撞频率Ф（气体分子通量）：在单位时间, 单位面积表面受到气体分子碰撞的次数。 1.2 气体分子运动论的基本概念 （3） 将式（1）和（2）代入上式，可以求出气体分子的通量：