短時(shí)多脈沖HiPIMS技術(shù)&低偏壓、低應(yīng)力的DLC薄膜

點(diǎn)睛

DOMS（短時(shí)多脈沖HiPIMS技術(shù)）的18個(gè)連續(xù)短振蕩顯著減少了離子回吸，并利用脈沖間殘留等離子體促進(jìn)再點(diǎn)燃，使到達(dá)基底的碳離子流密度提高至4倍，從而實(shí)現(xiàn)離子輔助沉積。

引言

高性能的DLC薄膜依賴于高能碳離子的“次表層注入”以形成高sp3鍵含量。HiPIMS能產(chǎn)生高離化率的等離子體，但傳統(tǒng)單脈沖模式存在離子回吸導(dǎo)致沉積速率低、需高基底偏壓（帶來高內(nèi)應(yīng)力）等問題。那我們能不能通過改變脈沖特性來優(yōu)化等離子體狀態(tài)，使得在更低能量條件下獲得更優(yōu)質(zhì)量的DLC薄膜？

解析：

葡萄牙科英布拉大學(xué)的R. Serra等人通過短時(shí)多脈沖HiPIMS技術(shù)制備出低偏壓，低應(yīng)力的DLC薄膜，研究成果以“HiPIMS pulse shape influence on the deposition of diamond-like carbon films”為題發(fā)表在《Surface & Coatings Technology》上，其工藝參數(shù)如下：

1）基體：硅片（100）；2）靶材：高純石墨靶；3）氣氛與氣壓：純氬氣，工作氣壓0.8Pa；4）過渡層沉積：通過DCMS沉積400nmCr粘附層和400nmCrN支撐層。5）DLC膜層沉積：平均功率均為1300W，靶峰值電流均為74A；負(fù)偏壓：0-160V；兩種HiPIMS模式：傳統(tǒng)HiPIMS：?jiǎn)蚊}沖，導(dǎo)通140μs，關(guān)閉1060μs，頻率800Hz；DOMS模式：每脈沖包含18個(gè)連續(xù)短振蕩，每個(gè)振蕩導(dǎo)通6μs，關(guān)閉94μs，整個(gè)脈沖長(zhǎng)1800μs，頻率266Hz；

圖1展示了兩套系統(tǒng)獲得的電壓與電流靶波形。圖2展示了兩種模式等離子體性能的根本差異。在2400μs的測(cè)量窗口內(nèi)，DOMS模式輸送至基底的正離子電流密度高達(dá)52mA/cm2，而傳統(tǒng)HiPIMS僅為13mA/cm2。DOMS的離子流密度是傳統(tǒng)模式的4倍。它證明了DOMS的短時(shí)多脈沖結(jié)構(gòu)能極其顯著地提高碳離子的離化與輸運(yùn)效率。更高的離子通量意味著在沉積過程中，有更多具有活性的碳離子參與薄膜生長(zhǎng)，為“次表層注入”形成sp3鍵提供了便利。

如圖3a.所示，DOMS在-100V的基底偏壓下，制備的DLC薄膜硬度即達(dá)到約18GPa的峰值。而傳統(tǒng)HiPIMS需要將偏壓大幅提高至-160V，才能獲得約16GPa的硬度。DOMS以低60V（降低37.5%）的偏壓能量，實(shí)現(xiàn)了更高的硬度。這驗(yàn)證了高離子通量的優(yōu)勢(shì)：更多的碳離子以適宜的能量參與成膜，促進(jìn)了致密sp3網(wǎng)絡(luò)的形成。在圖3b.中，膜層在達(dá)到峰值硬度時(shí)（DOMS-100V，HiPIMS-160V），DOMS薄膜的內(nèi)應(yīng)力僅為1.5GPa，而傳統(tǒng)HiPIMS薄膜則高達(dá)2.5GPa。DOMS將關(guān)鍵的內(nèi)應(yīng)力降低了40%。其中關(guān)鍵在于DOMS通過自身的高離化率等離子體提供了本征的“離子輔助”效應(yīng)，降低了對(duì)高能氬離子轟擊（通過高偏壓實(shí)現(xiàn)）的依賴，從而在獲得高sp3含量的同時(shí)，避免了過度轟擊帶來的晶格畸變和應(yīng)力累積。

延伸

1. DOMS所展現(xiàn)的“低偏壓高性能”特性，可適用于對(duì)界面應(yīng)力要求苛刻的精密部件的DLC涂層制備，能有效提高涂層的可靠性。

2. 本研究除了氬離子，并沒有說明碳離子在低能離子輔助沉積中的作用，這值得我們進(jìn)一步深入研究。

3. HiPIMS電源脈沖波形的多變性（利用振蕩次數(shù)、占空比、頻率等參數(shù)調(diào)控）為高質(zhì)量膜層的制備提供了無限可能，但這需要我們有耐心細(xì)品，才有機(jī)會(huì)。