專利名稱：紅外光學元件表面成型類金剛石膜工藝的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種紅外光學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象是制造設備的改型和工藝研究。DLC薄膜目前不能大面積推廣應用 的主要問題包括制造設備技術(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，導致薄膜制造重復性不好，薄膜穩(wěn)定性和殘余應力問題沒有從根本上解決。根據(jù)光學 薄膜的基本理論可知DLC薄膜工作在近紅外區(qū)時，其薄膜厚度必須大于400nm，在8-12um 做紅外增透保護膜時，要求薄膜厚度通常在1250nm左右，因此薄膜應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，其薄膜應力不同。采用真空陰極電弧沉 積DLC薄膜的應力大約為4-14GPa，等離子體增強化學氣相沉積的DLC薄膜的應力大約為
0.18-4. 7GPa，采用平衡磁控賤射生長的碳膜的應力為1. 5-2. 5GPa。用同一種方法生長DLC 薄膜時，基底材料不同，薄膜厚度不同、薄膜制造工藝不同，薄膜應力也不同。

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元件表面成型類金剛石膜工藝， 首先向碳膜機內(nèi)放置單晶硅的基片，接著在碳膜機內(nèi)抽真空，碳膜機內(nèi)的工作氣壓為
1.SXlO^Pa-l. 3X10_3Pa時停止抽真空，接著向碳膜機的射頻源充入氬氣，同時射頻源放 電將氬氣離子化后形成氬離子，氬離子對準基片進行8-12分鐘的轟擊，然后停止釋放氬 氣，最后向碳膜機內(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)明的另外一個實施例，紅外光學元件表面成型類金剛石膜工藝進一步包 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)明的另外一個實施例，紅外光學元件表面成型類金剛石膜工藝進一步包 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。
具體實施例方式現(xiàn)在結(jié)合附圖
和優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。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)明有關的構(gòu)成。一種紅外光學元件表面成型類金剛石膜工藝，首先向碳膜機內(nèi)放置單晶硅的基 片，接著在碳膜機內(nèi)抽真空，碳膜機內(nèi)的工作氣壓為1. SXlO-1Pa-L 3X IO-3Pa時停止抽真 空，接著向碳膜機的射頻源充入氬氣，同時射頻源放電將氬氣離子化后形成氬離子，氬離子 對準基片進行8-12分鐘的轟擊，然后停止釋放氬氣，最后向碳膜機內(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。
射頻源放電進行離子鍍具有下述特點①蒸發(fā)、離化、加速三種過程可分別獨立控 制，離化靠射頻激勵；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容易進行反應離子鍍；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， 當給射頻源充入烷烴類反應氣體時，射頻源就可實現(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驗結(jié)果及分析如下1、放電電流對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， 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，但當放電電流過大， 即沉積速率過高時，所沉積的類金剛石膜極易脫落。2、靶基距對沉積速率的影響靶基距不僅影響膜層的沉積速率，而且影響到達基片表面離子的能量。當靶基距 小于150mm時，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)。實驗測試證明，當靶基距為250mm時，膜層厚度均勻性(士5% )范 圍可達到Φ 50mm。3、放電電壓對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)。當離子能量很低時，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)；當離子能量過大時，又會促使sp3鍵向sp2轉(zhuǎn)變，形成致密的sp2鍵結(jié)構(gòu)。 只有適當?shù)碾x子能量才能形成致密的類金剛石膜。3、放電電流對膜層折射率的影響對于研究類金剛石薄膜的光學性能而言，膜層折射率是一個非常重要的參數(shù)。當 放電電流逐漸增大時，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實測紅外光譜曲線當雙面拋光的厚度為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鍵的伸縮振動吸收，使其在2325cm-l (即4. 3 μ m)處存在一個吸收峰。實驗證 明，此吸收峰的大小不僅與沉積DLC膜的工藝有關，還與沉積DLC膜時所用工作氣體的種類有關。 以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(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
一種紅外光學元件表面成型類金剛石膜工藝，其特征在于首先向碳膜機內(nèi)放置單晶硅的基片，接著在碳膜機內(nèi)抽真空，碳膜機內(nèi)的工作氣壓為1.3×10-1Pa--1.3×10-3Pa時停止抽真空，接著向碳膜機的射頻源充入氬氣，同時射頻源放電將氬氣離子化后形成氬離子，氬離子對準基片進行8-12分鐘的轟擊，然后停止釋放氬氣，最后向碳膜機內(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元件表面成型類金剛石膜工藝，其特征在于首先向碳膜機內(nèi)放置單晶硅的基片，接著在碳膜機內(nèi)抽真空，碳膜機內(nèi)的工作氣壓為1.3×10-1Pa～1.3×10-3Pa時停止抽真空，接著向碳膜機的射頻源充入氬氣，同時射頻源放電將氬氣離子化后形成氬離子，氬離子對準基片進行8-12分鐘的轟擊，然后停止釋放氬氣，最后向碳膜機內(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C23C16/27GK101831625SQ201010185770
公開日2010年9月15日 申請日期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 申請人:江蘇南晶紅外光學儀器有限公司