[00127314]高离化率磁控溅射等离子体输运行为及非晶碳膜制备研究

非晶碳膜主要由sp3和sp2杂化键组成,物性主要由sp2/sp3键态含量比决定。高sp3含量的类金刚石碳膜（diamond like carbon,DLC）有高硬度、低摩擦系数、化学稳定、良好的热传导及光学性;而高sp2含量的类石墨碳膜（graphite like carbon,GLC）保留了硬度高、摩擦系数小、磨损率低的同时内应力小、结合强度好。非晶碳膜以其键态结构比例不同,可获得优异力学、光学性能、良好的生物相容性,在精密机械、光电信息和生物医学等领域具有广泛应用前景。 非晶碳膜中sp3含量受入射离子能量影响显著,其结构和性能可通过离子能量调控,同时高能离子轰击还能提高薄膜致密性。因此,能有效调控入射离子能量的高离化率沉积技术,包括磁控溅射沉积和真空阴极电弧沉积,是制备非晶碳薄膜的理想方法。传统上,磁控溅射沉积主要用来制备高sp2含量的GLC薄膜,真空阴极电弧沉积则用于制备高sp3含量的四面体非晶碳膜（Tetrahedral amorphous carbon, ta-C）。但电弧沉积制备的薄膜中普遍存在大颗粒缺陷,薄膜表面粗糙度高;且持续的能量粒子轰击导致薄膜内应力高、膜基结合差。近年来磁控溅射技术飞速发展,高功率脉冲磁控溅射能获得高金属离化率,为具不同结构和性能的非晶碳薄膜的可控制备提供了新思路。 高功率脉冲磁控溅射（High power impulse magnetron sputtering,HiPIMS）使用高瞬时功率和低占空比的低频脉冲电源,能产生远高于传统磁控溅射的等离子体密度。因而,HiPIMS沉积方法兼具传统磁控溅射涂层结构致密、表面光滑、无颗粒缺陷以及真空阴极电弧沉积中离化率高的优点。然而,碳原子电离能高于金属原子电离能,如何提高碳原子离化率仍是HiPIMS沉积非晶碳薄膜中面临的一个关键问题。从气体碰撞电离的基本理论出发,电离碳原子需要更多高能电子,提高电离率的基本思路在于获得具有更高电子温度的高密度等离子体。因此,在HiPIMS放电过程中如何提高电子温度,增加溅射碳原子离化率,进而调节薄膜生长过程中的离子能量和流量,有望实现薄膜性能在石墨相至金刚石相间大范围内的可控制备,并能深入研究理解其结构和性能演变机理,具有重要的研究意义和应用价值。