激光热处理对类金刚石薄膜结构的影响

　　用真空阴极过滤电弧法沉积了厚度为2 nm 的类金刚石( DLC) 薄膜, 研究了激光加热退火时薄膜结构和表面粗糙度的变化, 分析了激光加热功率对薄膜结构的影响。结果表明, 当激光功率小于200 mW 时, DLC 薄膜的结构基本保持不变;激光功率增大到300 mW, 薄膜中少量的sp³键转变为sp²键, 但薄膜的表面形貌基本保持不变。随着激光功率增大到400mW, 薄膜中sp³键向sp²键的转变量增大; 当激光功率达到500 mW 时, 薄膜中大量的sp³ 键转变为sp²键, sp²六原子环含量迅速增大, 薄膜表面粗糙度开始明显增大, 出现凹凸不平的表面形貌。

　　类金刚石(DLC)薄膜用于计算机硬盘磁记录头和存储介质保护膜, 可减少摩擦磨损、防止机械损伤和润滑剂对磁记录头极尖的腐蚀, 提高磁记录介质的使用寿命。为了保证硬盘的存储密度达到1/1012字节/ 英寸², 目前大规模工业生产的计算机读写磁头的DLC 保护膜的最小厚度已经达到2 nm, 采用真空阴极过滤电弧( Filtered Cathode Vacuum Arc, FC/VA) 方法, 可在2 nm 厚度范围内形成连续致密并且在原子尺度表面光滑无针孔的四面体无定形碳膜,已在磁头保护膜的生产中获得广泛应用 。磁头与硬盘的装配是通过激光加热固化粘结胶来完成, 激光在加热固化过程中引起磁头表面温度升高, 最高温升可达200 。DLC 膜主要由sp³ 键和sp²键构成, sp³键的含量是影响DLC 薄膜性能的主要因素, DLC 膜的重要性能如致密性、硬度、耐蚀性、耐磨性、弹性模量、光学带隙、电学性能等均主要取决于其所含的sp³/ sp²的比例。当sp ³ 含量增加时, 其性能偏向于金刚石, 具有很高的显微硬度、低的摩擦系数和高的抗磨损指数。而当sp² 含量增加时, 其性能偏向于石墨。DLC 薄膜在受热温度升高时, 结构将发生变化, sp³键含量逐渐减小, sp ²键含量增大, sp³键向sp ² 键转变。

　　在常规加热退火处理时, DLC 薄膜在温度低于400 时具有较高的热稳定性。而在激光加热条件下DLC 薄膜受热时的结构变化, 以及磁记录头的性能和使用寿命可能受到的影响目前尚不清楚。因此, 研究DLC 薄膜在激光加热时的结构变化和激光功率的影响, 对于确定合适的激光功率, 保证磁头的使用性能具有积极意义。本文用FCVA 法沉积了厚度为2 nm 的DLC 薄膜, 研究了激光热处理所使用的激光加热功率对薄膜结构的影响。

3、结论

　　(1) 对FCVA 方法沉积的厚度为2 nm 的DLC 薄膜进行激光热处理, 当激光功率增大到200 mW 时,薄膜的可见光拉曼光谱高斯分解得到的D 峰与G峰强度之比I D/ I G 缓慢增大, G􀀂width 缓慢减小, 表明DLC 薄膜的结构基本保持不变, 只发生sp ² 团簇的聚集长大和由此导致的内应力的部分释放。

　　(2) 随着激光功率增大到300~ 400 mW, I D/ I G迅速增大, G-width 迅速减小, 表明DLC 薄膜结构开始发生明显转变, sp ³ 键向sp 2 键转变, 薄膜的内应力得到大量释放, 但薄膜的表面形貌保持稳定。

　　(3) 当激光功率达到500 mW 时, Raman 图谱的D 峰强度迅速增大, 表明DLC 薄膜中大量的sp³ 键转变为sp ² 键, 薄膜中的sp ² 六原子环含量迅速增大, 薄膜的内应力基本释放完全。SEM 分析显示薄膜表面粗糙度明显增大, 出现凹凸不平的表面形貌。