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的碳膜的應(yīng)力為1. 5-2. 5GPa。用同一種方法生長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