[发明专利]一种提高掺杂类金刚石膜层质量的方法

说明书

本发明涉及一种提高掺杂类金刚膜层质量的方法，在工件上等离子体化学气相沉积掺杂类金刚膜层之前，在所述工件周围设置屏蔽装置，所述屏蔽装置具有开口，且所述开口正对等离子体出口；在等离子体化学气相沉积掺杂类金刚膜层过中，所述屏蔽装置不随所述工件旋转，但与所述工件等电位。本实施例提供的方法，主要是在沉积过程中，通过在旋转的工件周围设置，使其屏幕工件圆周附近等离子体密分布极度不均匀的位置，只接收正对等离子体出口位置的等离子体密度强的离子沉积，最终获得的膜层均匀性和膜层结合力等有着大幅的提升，非常适合工业化大批量生产。

技术领域

本发明表面处理技术领域，尤其涉及一种提高掺杂类金刚石膜层质量的方法。

背景技术

碳基涂层如四面体类金刚石(ta－diamond-like carbon，简称ta－DLC)薄膜是以碳为基本元素构成的一种非晶材料。类金刚石薄膜(DLC)它在结构上属于非晶亚稳态结构的无定形碳，是由sp³杂化和sp²杂化碳组成：薄膜中sp³结构决定了类金刚石薄膜具有诸多类似于金刚石的优良特性，而sp2结构决定了类金刚石薄膜又具有很多石墨的特性，国际上将硬度超过金刚石硬度20％的绝缘硬质无定形碳膜称为类金刚石膜。

在制备工艺方面，类金刚石薄膜(DLC)沉积温度较低，沉积面积大，膜面光滑平整，工艺相对成熟。在实际应用方面，由于DLC薄膜在真空条件下和低温下均具有良好的润滑耐磨性能，因此可有效解决某些特殊工况下活动零部件表面润滑等的技术难题。碳基厚膜现阶段主要采用化学气相沉积法(Chemical vapor deposition method，CVD)，包括直流辉光放电等离子体CVD、射频辉光放电等离子体CVD、电子回旋CVD、高强度直流电弧等离子体沉积、激光等离子体沉积、直流等离子体辅助沉积和微波等离子体辅助沉积法等；据调研，现有利用磁控溅射或者离子镀的方法来沉积碳基膜层的速率不高于40nm/min，在工艺条件允许的情况下沉积得到30μm的碳基至少需要13小时的时间，但现实情况是利用这种方法很难重复稳定的制备超过20μm的碳基膜层，碳基膜层本身依然存在很高的内应力及沉积速率偏慢的问题。现CVD方法提高碳基膜层厚度减小内应力以及提高沉积速率的主要方式是提高含碳气体的进气量以及通入杂质气体(现掺杂的元素多为非金属元素，有极少种类的含金属元素的气体)，但在碳基膜层沉积速率方面提高幅度有限，而且由于气体的增加真空室特别容易污染；在应力改善方面金属元素的掺杂更能够释放膜层本身应力但局限于含金属气体种类少，同时含金属种类气体不易操作，安全系数偏低。众所周知，如在进气量方面通常情况下CVD方法工作气压一般在1Pa～10³Pa之间，电子密度一般范围在10¹⁰～10²¹/m³之间，随着气量的增加体密度会达到饱和，同时电子的平均自由程会减小含碳气体的电离效率会趋于稳定，所以在碳基膜层的沉积速率方法很难有大的突破。但在金属作为阴极发生弧光放电过程中由阴极产生等离子体，在阴极附近等离子体中的离子密度最高可超过10²⁴/m³，考虑到金属的多价态，其中电子密度一般比离子密度更高，这比化学气相沉积过程中等离子体浓度要高3-10个数量级，利用金属等离子体作为电离源，同时添加一个等离子体的传输通道，增加电子或离子与气体的作用时间，含碳气体的电离效率可能会有质的提升。

工业化生产基于弧光放电技术的磁过滤等离子体沉积方法制备厚含氢金刚石膜层时由于工件的自转，在工件表面由于等离子体密度的极度不均匀，造成工件圆周附近碳等离子体密度分布极度不均匀，最后导致膜层质量很难达到固定沉积时所达到的膜层质量，如膜层硬度，sp³含量，摩擦系数等。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种提高掺杂类金刚膜层质量的方法，在工件上等离子体化学气相沉积掺杂类金刚膜层之前，在所述工件周围设置屏蔽装置，所述屏蔽装置具有开口，且所述开口正对等离子体出口；在等离子体化学气相沉积掺杂类金刚膜层过中，所述屏蔽装置不随所述工件旋转，但与所述工件等电位。