[发明专利]锗/硅红外光学镜头(片)镀类金刚石碳膜的方法

说明书

本发明涉及锗/硅红外光学镜头（片）镀类金刚石碳膜的方法。

本发明属光学镀膜类中在锗/硅红外光学镜头（片）镀红外波段超硬膜技术，具体是镀类金刚石碳膜。

目前，国际上镀类金刚石碳膜或金刚石膜的方法基本上分为两类：

第一类：有代表性的是1971年美国学者Aisenberg和Chabot^[1]所提出的方法，即在真空系统中首先用一个氩离子源溅射石墨靶产生碳原子，在等离子区碳原子电离成正碳离子束，然后使碳离子和部分氩离子进入沉积室，在电场作用下，获得一定能量的碳离子撞击带负偏压的基片，从而在基片上形成具有坚硬和高绝缘特性的薄膜，但其光学特性未见报道。1978年德国学者Bewilogua和Weissmantei^[3]用离子镀的方法即用一个惰性气体离子源溅射石墨靶，所产生碳原子沉积在钢、硬质合金、玻璃、氯化钠等多种材料基片上，同时用另一个惰性气体离子源照射所沉积的薄漠，使其结构转化形成坚硬碳膜。1981年日本学者Susumu和Fujimori^[4]用激光蒸发石墨或碎金刚石，并以离子束轰击基片的方法获得了坚硬碳膜。上述这些方法各有特点，其共同的特点是形成的碳离子具有一定能量，且形成的碳膜始终受到氩离子束的照射（轰击），一般称这类方法为低能离子沉积法。用这些方法获得碳膜，通过X电子衍射和电镜分析，多为金刚石结构，称类金刚石膜或金刚石膜。这类沉积方法的优点是薄膜的质量高，工艺简单，缺点是沉积的薄膜面积小，其关键是照射基片的离子源口径小，离子束照射面积小，故获得的碳膜面积就小。

第二类：1976年英国学者Houand和Ojha^[2]利用改进了的射频溅射设备产生的等离子体来电离丁烷气体在玻璃基片上沉积出坚硬的碳膜。1978年瑞典学者Andersen^[5]，1980年德国学者Enke^[6]也利用射频溅射设备所产生的等离子体电离碳氢化合物获得了坚硬碳膜。这类方法称为射频等离子电离碳氢化合物沉积法。用这类方法获得的薄膜结构其性质介于石墨和金刚石之间，为非晶态（无定型）结构，一般称这类膜为硬碳膜或类金刚石膜。此类沉积方法的优点是能得到较大面积的薄膜，但沉积的薄膜质量不如第一类的好。

本发明的目的是采用一种新的工艺方法，该方法具有上述二类方法的优点，并克服了上述二类方法的缺点，从而在锗/硅红外光学镜头（片）获得了优质的类金刚石碳膜。

本发明所采用的基本方法是：在射频等离子电离碳氢化合物气体中加入了30-50%（体积比）的氩气，从而使该方法具有工艺简单，重复性好，获得的碳膜机械强度高，耐磨性能好，红外光学特性优良，适合镀制大面积光学透镜等优点。

本发明的基本原理是：利用射频溅射设备产生等离子电离碳氢化合物-丁烷与氩气（30-50%体积比）的混合气体，在0.1-1.3帕的低压下，利用高频电场产生辉光放电，电离出正碳离子和氩离子，在电场作用下，碳离子和氩离子同时被加速，向放置在水冷负电极夹具上的基片表面撞击，产生瞬时高压，并释放能量，产生瞬时高温。当调整碳离子能量使基片表面产生的瞬时高压高温达到形成金刚石膜的条件时，所沉积的碳膜将发生全部或部分结构转换，形成金刚石或类金刚石薄膜。氩离子在膜的形成过程中一直轰击沉积的碳膜，从而使形成的薄膜具有特殊的密质结构。因此，碳离子撞击基片表面所产生的瞬时高压高温是形成金刚石膜的重要条件。

对于在高频电场中，利用射频放电电离碳氢化合物，电离出的碳离子撞击置于水冷负电极的基片表面，形成薄膜，其射频功率（W）、工作气体压强（P）、基片面积（S）为主要沉积参数，沉积参数可用单位面积功率（W/S）与气体压强P之比来描述，即W/（S+P）（Wcm^-2Pa），在一定的基片面积（S）和压强（P）下，有一最佳功率值。因此对不同的基片面积，需调整相应的工艺参数，以获得较好质量的薄膜。

本发明方法包括：

（1）镜头（片）基片的净化处理：锗/硅红外光学镜头（片）基片抛光清洗后，再用无水乙醇清洗，然后放入射频溅射机的水冷负电极夹具上，抽真空使真空室达到6.7×10^-3帕时，开微型充气阀，充入高纯氩气，使真空度降至1.3-2.7帕，开启射频高压，系统产生辉光放电使氩离子轰击基片表面，以使基片表面净化和激活。