[发明专利]ECR氧-氩等离子体刻蚀技术制备的超薄碳膜及方法

说明书

技术领域

本发明属于碳膜制备领域，涉及一种制备碳膜的方法，具体涉及一种ECR氧-氩等离子体刻蚀技术制备的超薄碳膜及方法。

背景技术

近年来，碳膜以其高硬度、低表面粗糙度、低摩擦系数、高耐磨性、生物相容性等优异的性能在在机械、电子、光学、磁介质保护和医学领域获得广泛的应用。其中，超薄碳膜在磁介质保护领域已发挥了至关重要的作用。

目前，随着硬盘磁记录密度的不断增加，硬盘的磁间距和飞行高度要求不断降低。磁间距的不断降低要求磁盘表面碳膜保护层越来越薄，约为2～3nm。另外，在纳米级的飞行高度下，当硬盘在运行过程中遇到突然断电或者受外部振动等影响时，都可能引起磁头与高速旋转的磁盘之间发生机械滑擦而造成磁记录介质发生退磁和数据丢失。因此，磁盘表面的碳膜保护层必须具有超光滑的表面和优越的抗刻划性能。综上，制备超薄、超光滑且具有优越抗刻划特性的碳膜具有重要的应用价值和意义。

然而，超薄碳膜的直接沉积仍面临很大的挑战。在沉积过程中，首先要求碳在基体表面任何位置都能成核；其次，在沉积过程中，要求碳不能为降低表面能而发生表面移动，使部分区域形成岛状结构，而另一部分区域没有碳膜覆盖。这就要求沉积过程中能量粒子具有合适的能量和较高的离化率。传统的磁控溅射沉积方法由于其具有较低的能量和粒子离化率，很难得到膜厚低于2nm且表面均匀连续的薄膜。之后研究者们提出了具有高粒子离化率的过滤阴极真空电弧法。然而，该方法产生的等离子体中仍存在尺寸约为1_μm的微颗粒碳，这就可能在沉积的碳膜中引入缺陷，降低了碳膜的表面粗糙度和性能。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种ECR氧-氩等离子体刻蚀技术制备的超薄碳膜及方法。该方法利用电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance，ECR）等离子体加工系统，通过氧-氩等离子体刻蚀技术对已沉积的碳膜进行减薄获得超薄的碳膜，制备的碳膜具有较低的表面粗糙度和优越的抗刻划性能。

为了达到上述目的，本发明所采用技术方案是：

一种ECR氧-氩等离子体刻蚀技术制备超薄碳膜的方法，包括以下步骤：

1）利用ECR等离子体加工系统通过氩等离子体溅射法，在基体上沉积厚度为3～10nm的碳膜；

2）利用ECR等离子体加工系统通过氧-氩等离子体刻蚀法，对氩等离子体溅射沉积的碳膜进行刻蚀减薄，得到膜厚为1.5～3.5nm的超薄碳膜。

所述的步骤1）中，采用氩等离子体溅射法在基体上沉积碳膜的具体过程为：

将基体放入等离子体腔体中，当腔体内真空度抽到2×10^-4～4×10^-4Pa后，通入氩气，使腔内的气压升高到2×10^-2～6×10^-2Pa；通过施加350～450A的磁线圈电流和100～300W的微波，使腔体中的初始电子在磁场和微波的耦合作用下产生电子回旋运动，使通入的氩气离化，得到高离化率、高密度的氩等离子体；随后给碳靶施加-300～-200V的直流偏压，等离子体中的氩离子在直流负偏压的作用下加速轰击碳靶，将能量传递给碳靶中的碳原子，获得能量的碳原子脱离原晶格束缚，向等离子体空间释放出来；通过施加-30～0V的基片偏压，等离子体中的氩离子带动碳原子向基体运动并沉积在基体表面形成碳膜。

所述的步骤2）中，采用氧-氩等离子体刻蚀法刻蚀已沉积碳膜的具体过程为：

停止通入氩气，在腔体中通入氧气体积分数为5%～20%的氧气和氩气的混合气体，使真空腔内的气压升高到2×10^-2～6×10^-2Pa；同样在350～450A的磁线圈电流和100～300W的微波的耦合作用下形成氧-氩等离子体；此时设置碳靶直流偏压为零，等离子体中的氧离子和氩离子在-15～-5V的基片直流偏压的作用下，对氩等离子体溅射沉积的碳膜进行刻蚀减薄。

在刻蚀过程中氧-氩等离子体的刻蚀能量为5～15eV。

氩等离子体溅射沉积碳膜的沉积速率和氧-氩等离子体刻蚀已沉积碳膜的刻蚀速率是利用原子力显微镜测量计算得到的；其中，沉积速率为3～5nm/min，刻蚀速率为0.4～1.0nm/min。

所述的利用原子力显微镜测量计算得到沉积速率和刻蚀速率的具体过程为：