类金刚石碳结构及其制备方法与应用转让专利
申请号 : CN202110808906.6
文献号 : CN113582172B
文献日 : 2022-07-29
发明人 : 林海天 , 李立升 , 郑礼伟 , 陈松 , 杨恺
申请人 : 东莞市华升真空镀膜科技有限公司
摘要 :
本发明涉及类金刚石技术领域，特别是涉及一种类金刚石碳结构及其制备方法与应用。本发明通过在类金刚石碳结构中掺杂氮元素，提升了类金刚石碳结构中载流子的浓度，从而提升了类金刚石碳结构的导电性能，同时，通过掺杂了与氮元素质量比为(1～10):1的氧元素，不仅进一步提升了载流子的浓度，而且降低了类金刚石碳结构中的氢含量，平衡了掺氮带来的sp2结构含量的增加，避免了硬度、强度等力学性能的下降，拓展了类金刚石碳结构的应用场景，尤其是大大提升了其在3C电子领域的可用性。
权利要求 :
1.一种类金刚石碳结构，其特征在于，所述类金刚石碳结构中掺杂有质量比为(1～
10):1的氮元素和氧元素，所述类金刚石碳结构中的氮元素的质量百分含量为3％～25％。
2.根据权利要求1所述的类金刚石碳结构，其特征在于，所述类金刚石碳结构中的氮元素的质量百分含量为11％～20％。
3.根据权利要求1～2任一项所述的类金刚石碳结构，其特征在于，所述类金刚石碳结构为厚度为200nm～2000nm的薄层。
4.根据权利要求1～3任一项所述的类金刚石碳结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供基底，通过气相沉积技术将碳源、氮源以及氧源沉积在所述基底上，形成所述类金刚石碳结构。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述气相沉积技术为物理气相沉积，所述碳源为甲烷和/或乙炔，所述氮源为氮气，所述氧源为氧气。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积的离子源功率为
500W～3000W。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积的偏压为数值0V～
200V的负极电压。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碳源的流量为50sccm～100sccm。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述氮气和所述氧气的总流量为
50sccm～100sccm。
10.根据权利要求4～9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述基底的材质为金属单质、合金、金属氧化物、硅片中的一种或多种。
11.一种电子产品，其特征在于，包括权利要求1～3任一项所述的类金刚石碳结构。
说明书 :
类金刚石碳结构及其制备方法与应用
技术领域
[0001] 本发明涉及类金刚石技术领域，特别是涉及一种类金刚石碳结构及其制备方法与应用。
背景技术
[0002] 随着3C电子工业的发展，3C电子产品内部结构越来越复杂，其中的连杆、转子等原结构承受着严重的磨损，因此对硬度、耐磨性等有较高的要求，同时，对导电性能也有一定的需求。因此，开发具有导电性、耐磨损的高硬度涂层具有重要的商业价值。
[0003] 类金刚石涂层具有sp2和sp3共混的键合方式，其中，类似于石墨的sp2结构具有一3
定的自润滑作用，可以提升膜层的耐磨性能，而类似于金刚石的sp结构则可以提升材料的硬度、强度等力学性能，因此，类金刚石涂层具有优异的强度和耐磨损性能，然而其导电性较差，不能满足3C领域的导电需求。为了解决这一问题，传统技术中通过在类金刚石涂层中掺杂金属来提升其导电性，但掺杂金属后其摩擦系数大幅上升，耐磨性能大幅下降；此外，还发展了通过掺杂氮元素以提升涂层中载流子浓度，从而提升导电性的方法，但是氮掺杂
2
会引起类金刚石涂层中sp结构含量的增加，导致涂层力学性能下降，所以制备得到的涂层硬度、强度较差。
定的自润滑作用，可以提升膜层的耐磨性能，而类似于金刚石的sp结构则可以提升材料的硬度、强度等力学性能，因此，类金刚石涂层具有优异的强度和耐磨损性能，然而其导电性较差，不能满足3C领域的导电需求。为了解决这一问题，传统技术中通过在类金刚石涂层中掺杂金属来提升其导电性，但掺杂金属后其摩擦系数大幅上升，耐磨性能大幅下降；此外，还发展了通过掺杂氮元素以提升涂层中载流子浓度，从而提升导电性的方法，但是氮掺杂
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会引起类金刚石涂层中sp结构含量的增加，导致涂层力学性能下降，所以制备得到的涂层硬度、强度较差。
发明内容
[0004] 基于此，有必要提供一种类金刚石碳结构及其制备方法与应用，其可用于制备既满足3C领域的导电需求、同时能维持优良力学性能的类金刚石涂层。
[0005] 本发明的一个方面，提供了一种类金刚石碳结构，所述类金刚石碳结构中掺杂有质量比为(1～10):1的氮元素和氧元素。
[0006] 本发明通过在类金刚石碳结构中掺杂氮元素，提升了类金刚石碳结构中载流子的浓度，从而提升了类金刚石碳结构的导电性能，同时，通过掺杂了与氮元素质量比为(1～10):1的氧元素，不仅进一步提升了载流子的浓度，从而进一步提升类金刚石碳结构导电性
2
能，而且降低了类金刚石碳结构中的氢含量，平衡了掺氮带来的sp结构含量的增加，从而
2 3
使类金刚石碳结构中sp和sp结构的含量维持在合理的范围内，避免了硬度、强度等力学性能的下降，拓展了类金刚石碳结构的应用场景，尤其是大大提升了其在3C电子领域的可用性。
2
能，而且降低了类金刚石碳结构中的氢含量，平衡了掺氮带来的sp结构含量的增加，从而
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使类金刚石碳结构中sp和sp结构的含量维持在合理的范围内，避免了硬度、强度等力学性能的下降，拓展了类金刚石碳结构的应用场景，尤其是大大提升了其在3C电子领域的可用性。
[0007] 在一些实施方式中，所述类金刚石碳结构中的氮元素的质量百分含量为3％～25％。
[0008] 在一些实施方式中，所述类金刚石碳结构中的氮元素的质量百分含量为11％～20％。
[0009] 在一些实施方式中，所述类金刚石碳结构为厚度为200nm～2000nm的薄层。
[0010] 本发明的另一方面，提供了前述的类金刚石碳结构的制备方法，其包括以下步骤：
[0011] 提供基底，通过气相沉积技术将碳源、氮源以及氧源沉积在所述基底上，形成所述类金刚石碳结构。
[0012] 在一些实施方式中，所述气相沉积技术为物理气相沉积，所述碳源为甲烷和/或乙炔，所述氮源为氮气，所述氧源为氧气。
[0013] 在一些实施方式中，所述物理气相沉积的离子源功率为500W～3000W。
[0014] 在一些实施方式中，所述物理气相沉积的偏压为数值0V～200V的负极电压。
[0015] 在一些实施方式中，所述碳源的流量为50sccm～100sccm。
[0016] 在一些实施方式中，所述氮气和所述氧气的总流量为50sccm～100sccm。
[0017] 在一些实施方式中，所述基底的材质为金属单质、合金、金属氧化物、硅片中的一种或多种。
[0018] 本发明还提供了一种电子产品，其包括前述的类金刚石碳结构。
具体实施方式
[0019] 为了便于理解本发明，下面将参照相关实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0020] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
[0021] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0022] 本发明的一个方面，提供了一种类金刚石碳结构，其中掺杂有质量比为(1～10):1的氮元素和氧元素。
[0023] 载流子，是承载电荷的、能够自由移动以形成电流的物质粒子。半导体的性质跟导体和绝缘体不同，是因为其能带结构不同；而半导体的导电能力可以控制，主要是因为其载流子的种类和数量与导体和绝缘体不同，并且可以受到控制，其调节手段就是“掺杂”，即往纯净的半导体中掺入杂质，来改变其载流子数量、分布和运动趋势，从而改变整体导电性能。
[0024] 类似的，对于导电性能较差的类金刚石碳结构而言，可以通过向其中掺杂能显著提升载流子浓度的氮元素来实现对其导电性能的改善；但是，传统技术中，当氮元素的掺杂2
量达到类金刚石碳结构质量的10％左右时，就会因为sp结构含量的增加，出现力学性能大幅度下降的情况，而仅仅10％的掺氮量难以满足高导电性能场景的需求。向类金刚石碳结构中掺杂氧元素，也能一定程度上提升载流子的浓度，从而实现导电性的提升，但是，氧元素过多地掺入将导致类金刚石碳结构被氧化，也极大影响了类金刚石碳结构的性能。
量达到类金刚石碳结构质量的10％左右时，就会因为sp结构含量的增加，出现力学性能大幅度下降的情况，而仅仅10％的掺氮量难以满足高导电性能场景的需求。向类金刚石碳结构中掺杂氧元素，也能一定程度上提升载流子的浓度，从而实现导电性的提升，但是，氧元素过多地掺入将导致类金刚石碳结构被氧化，也极大影响了类金刚石碳结构的性能。
[0025] 通过大量的实验，发明人发现，根据所需导电性能的要求确定氮的掺杂量后，如果向类金刚石碳结构中引入与氮元素质量比为(1～10)：1的氧元素，对类金刚石碳结构进行氮‑氧共掺杂，可以维持类金刚石碳结构本身不被氧化，同时有效降低了类金刚石碳结构中2 2 3
的氢含量，抵消了掺氮带来的sp结构含量的增加，平衡了类金刚石碳结构中sp 和sp结构的比例，使之维持在合理的范围内，避免了类金刚石碳结构的硬度、强度等力学性能的下降；同时，由于氧元素的掺杂本身也可以一定程度上提升载流子的浓度，因此，类金刚石碳结构经合理比例的氮‑氧共掺杂改性后，导电性能也较单一的氮掺杂有了进一步的提升，有效拓展了类金刚石碳结构的应用场景，尤其是大大提升了其在3C电子领域的可用性。
的氢含量，抵消了掺氮带来的sp结构含量的增加，平衡了类金刚石碳结构中sp 和sp结构的比例，使之维持在合理的范围内，避免了类金刚石碳结构的硬度、强度等力学性能的下降；同时，由于氧元素的掺杂本身也可以一定程度上提升载流子的浓度，因此，类金刚石碳结构经合理比例的氮‑氧共掺杂改性后，导电性能也较单一的氮掺杂有了进一步的提升，有效拓展了类金刚石碳结构的应用场景，尤其是大大提升了其在3C电子领域的可用性。
[0026] 优选地，类金刚石碳结构中所掺杂的氮元素和氧元素的质量比为(1.5～7):1。进一步优选地，类金刚石碳结构中所掺杂的氮元素和氧元素的质量比为(2～4):1，例如2.5:1。氮元素和氧元素的质量比维持在合理范围内，能使得对类金刚石碳结构导电性以及力学性能的提升最大化。
[0027] 在一些实施方式中，类金刚石碳结构中的氮元素的质量百分含量为3％～25％。优选地，类金刚石碳结构中的氮元素的质量百分含量为5％～20％。进一步优选地，类金刚石碳结构中的氮元素的质量百分含量为11％～20％，例如12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％或19％。
[0028] 在一些实施方式中，类金刚石碳结构中的氮元素和氧元素的总质量百分含量为10％～30％。优选地，总质量百分含量为12％～22％。进一步优选地，总质量百分含量为
15％～21％。
15％～21％。
[0029] 当掺氮量较低时，对导电性能的提升有限，同时对类金刚石碳结构力学性能的影响也较小，此时，进行氮‑氧共掺杂较单一氮掺杂在力学性能上的提升有限；当掺氮量较高2
时，为了降低sp结构的含量，氧元素的掺杂量也需相应上升，但氧的掺杂量到达一定水平时，将导致类金刚石碳结构本身的氧化，从而也会造成力学性能的下降，因此，此时无论掺氧较多或较少，对类金刚石碳结构力学性能的提升都变得十分有限。
时，为了降低sp结构的含量，氧元素的掺杂量也需相应上升，但氧的掺杂量到达一定水平时，将导致类金刚石碳结构本身的氧化，从而也会造成力学性能的下降，因此，此时无论掺氧较多或较少，对类金刚石碳结构力学性能的提升都变得十分有限。
[0030] 在一些实施方式中，所述类金刚石碳结构为厚度为200nm～2000nm的薄层。可选地，薄层的厚度可以是300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm、1600nm、1700nm、1800nm、1900nm。在预设厚度范围内，氮‑氧共掺杂对类金刚石薄层导电性和力学性能的提升更佳。
[0031] 本发明的另一方面，提供了前述的类金刚石碳结构的制备方法，其包括以下步骤：
[0032] 提供基底，通过气相沉积技术将碳源、氮源以及氧源沉积在基底上，形成类金刚石碳结构。
[0033] 在一些实施方式中，气相沉积技术为化学气相沉积。
[0034] 在一些实施方式中，气相沉积技术为物理气相沉积，此时，碳源采用甲烷和/或乙炔，氮源采用氮气，氧源采用氧气。
[0035] 在一些实施方式中，物理气相沉积技术为磁控溅射或电弧离子镀；优选地，离子源采用阳极层离子源。
[0036] 在一些实施方式中，物理气相沉积的离子源功率为500W～3000W。可选地，离子源功率例如可以是600W、700W、800W、900W、1000W、1100W、1200W、1300W、1400W、1500W、1600W、1700W、1800W、1900W、2000W、2100W、2200W、2300W、2400W、2500W、2600W、2700W、2800W、
2900W。
2900W。
[0037] 在一些实施方式中，物理气相沉积的偏压为数值0V～200V的负极电压。
[0038] 在一些实施方式中，物理气相沉积的电流为80A～100A。
[0039] 在一些实施方式中，碳源的流量为50sccm～100sccm。
[0040] 在一些实施方式中，氮气和氧气的总流量为50sccm～100sccm。
[0041] 在一些实施方式中，所述基底的材质为金属单质、合金、金属氧化物、硅片中的一种或多种。
[0042] 在一些实施方式中，沉积类金刚石碳结构之前，先在基底上沉积一层由金属或非金属及其碳化物组成的过渡层。沉积过渡层可以有效提升类金刚石碳结构与基底之间的结合力。
[0043] 在一些实施方式中，过渡层为铬/碳化铬过渡层、钛/碳化钛过渡层、钨/碳化钨过渡层或硅/碳化硅过渡层中的一种或多种。
[0044] 在一些实施方式中，过渡层的厚度为100nm～1000nm。
[0045] 在一些实施方式中，对基底表面沉积过渡层或类金刚石碳结构之前，先对基底进行清洗，清洗包括有机溶剂清洗和离子源清洗中的至少一种。有机溶剂清洗可以去除基底表面吸附的油渍、尘埃等污渍；离子源清洗能够一致且可靠地去除基底表面的污染物，活化基底表面，使其更易于结合所沉积的膜层。
[0046] 在一些实施方式中，有机溶剂为乙醇、异丙醇等醇类溶剂。
[0047] 优选地，有机溶剂清洗方式为超声清洗。
[0048] 进一步优选地，超声清洗后采用干燥气流吹干基底。
[0049] 当进行离子源清洗时：
[0050] 在一些实施方式中，将基底置于真空腔室中，并使得真空腔室的压强低于4×10‑3
Pa，然后开启离子源进行清洗。
Pa，然后开启离子源进行清洗。
[0051] 在一些实施方式中，在采用离子源进行清洗的过程中，向真空腔室中通入保护性气体，在通入保护性气体的同时对真空腔室抽真空，保持真空腔室中的气压为0.1Pa～1Pa。优选地，真空腔室中的气压为0.8Pa～1Pa。
[0052] 在一些实施方式中，保护性气体为氩气、氦气及氖气中的至少一种。
[0053] 在一些实施方式中，保护性气体的流量为300sccm～400sccm。
[0054] 在一些实施方式中，离子源功率设置为500W～1500W，清洗时间为20min～60min。
[0055] 在一些实施方式中，在清洗基底的过程中，向基底施加偏压，偏压为数值800V～1000V的负极电压。
[0056] 在一个具体示例中，采用电弧离子镀进行沉积，且采用阳极层离子源；此时，前述类金刚石碳结构的制备方法包括以下步骤：
[0057] (1)用有机溶剂超声清洗基底，然后用去离子水漂洗，并采用干燥压缩空气吹干；‑3
将清洗并干燥后的基底置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为300sccm～400sccm的保护性气体，使真空腔室气压维持在
0.1Pa～1Pa，并设置离子源功率为500W～1500W，向基底施加数值800V～1000V的负极电压，清洗20min～60min；
将清洗并干燥后的基底置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为300sccm～400sccm的保护性气体，使真空腔室气压维持在
0.1Pa～1Pa，并设置离子源功率为500W～1500W，向基底施加数值800V～1000V的负极电压，清洗20min～60min；
[0058] (2)向真空腔室通入流量为50sccm～200sccm的保护性气体，并控制真空腔室整体气压为0.1Pa～1Pa；启动装载有金属或非金属靶材的电弧蒸发源，设置其电流为80A～100A，同时向基底施加数值0V～200V的负极电压，逐渐通入气体碳源，直至气体碳源的流量达到200sccm，沉积过渡层的厚度为100nm～1000nm；
[0059] (3)启动阳极层离子源并设置其功率为500W～3000W，通入流量为50sccm～100sccm的碳源，并通入总流量为50sccm～100sccm的氮源和氧源，在数值0V～200V的负极电压下沉积厚度为200nm～2000nm的、氮‑氧共掺杂的类金刚石涂层，并通过调节氮源和氧源的总流量使得制得的涂层中氮元素的掺杂量为3％～25％，通过调节氮源和氧源的流量比使制得的涂层中氮元素和氧元素的质量比为(1～10)：1。
[0060] 本发明还提供了一种电子产品，其包括前述的类金刚石碳结构。
[0061] 以下结合具体实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。可理解，以下实施例所用的仪器和原料较为具体，在其他具体实施例中，可不限于此。
[0062] 实施例1
[0063] (1)用有机溶剂超声清洗硅片，然后用去离子水漂洗，并采用干燥压缩空气吹干；‑3
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
[0064] (2)向真空腔室通入流量为200sccm的氩气，并控制真空腔室整体气压为0.6Pa；启动装载有硅靶材的电弧蒸发源，设置其电流为100A，同时向硅片施加数值100V的负极电压，逐渐通入高纯乙炔，直至高纯乙炔的流量达到200sccm，沉积Si/SiCx过渡层的厚度为600nm；
[0065] (3)启动阳极层离子源并设置其功率为1000W，通入流量为100sccm的高纯乙炔，并通入总流量为100sccm的高纯氮气和高纯氧气，在数值200V的负极电压下沉积厚度为2000nm的、氮‑氧共掺杂的类金刚石涂层，并通过调节氮气和氧气的总流量使得制得的涂层中氮元素的掺杂量为15％，通过调节氮气和氧气的流量比使制得的涂层中氮元素和氧元素的质量比为2.5：1；
[0066] (4)关闭电源，待真空腔室的温度降至室温后，打开真空腔室取出形成有类金刚石碳结构的硅片。
[0067] 实施例2
[0068] (1)用有机溶剂超声清洗硅片，然后用去离子水漂洗，并采用干燥压缩空气吹干；‑3
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
[0069] (2)向真空腔室通入流量为200sccm的氩气，并控制真空腔室整体气压为0.6Pa；启动装载有硅靶材的电弧蒸发源，设置其电流为100A，同时向硅片施加数值100V的负极电压，逐渐通入高纯乙炔，直至高纯乙炔的流量达到200sccm，沉积Si/SiCx过渡层的厚度为600nm；
[0070] (3)启动阳极层离子源并设置其功率为1000W，通入流量为100sccm的高纯乙炔，并通入总流量为100sccm的高纯氮气和高纯氧气，在数值200V的负极电压下沉积厚度为2000nm的、氮‑氧共掺杂的类金刚石涂层，并通过调节氮气和氧气的总流量使得制得的涂层中氮元素的掺杂量为8％，通过调节氮气和氧气的流量比使制得的涂层中氮元素和氧元素的质量比为2.5：1；
[0071] (4)关闭电源，待真空腔室的温度降至室温后，打开真空腔室取出形成有类金刚石碳结构的硅片。
[0072] 实施例3
[0073] (1)用有机溶剂超声清洗硅片，然后用去离子水漂洗，并采用干燥压缩空气吹干；‑3
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
[0074] (2)向真空腔室通入流量为200sccm的氩气，并控制真空腔室整体气压为0.6Pa；启动装载有硅靶材的电弧蒸发源，设置其电流为100A，同时向硅片施加数值100V的负极电压，逐渐通入高纯乙炔，直至高纯乙炔的流量达到200sccm，沉积Si/SiCx过渡层的厚度为600nm；
[0075] (3)启动阳极层离子源并设置其功率为1000W，通入流量为100sccm的高纯乙炔，并通入总流量为100sccm的高纯氮气和高纯氧气，在数值200V的负极电压下沉积厚度为2000nm的、氮‑氧共掺杂的类金刚石涂层，并通过调节氮气和氧气的总流量使得制得的涂层中氮元素的掺杂量为21％，通过调节氮气和氧气的流量比使制得的涂层中氮元素和氧元素的质量比为2.5：1；
[0076] (4)关闭电源，待真空腔室的温度降至室温后，打开真空腔室取出形成有类金刚石碳结构的硅片。
[0077] 实施例4
[0078] (1)用有机溶剂超声清洗硅片，然后用去离子水漂洗，并采用干燥压缩空气吹干；‑3
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
[0079] (2)向真空腔室通入流量为200sccm的氩气，并控制真空腔室整体气压为0.6Pa；启动装载有硅靶材的电弧蒸发源，设置其电流为100A，同时向硅片施加数值100V的负极电压，逐渐通入高纯乙炔，直至高纯乙炔的流量达到200sccm，沉积Si/SiCx过渡层的厚度为600nm；
[0080] (3)启动阳极层离子源并设置其功率为1000W，通入流量为100sccm的高纯乙炔，并通入总流量为100sccm的高纯氮气和高纯氧气，在数值200V的负极电压下沉积厚度为2000nm的、氮‑氧共掺杂的类金刚石涂层，并通过调节氮气和氧气的总流量使得制得的涂层中氮元素的掺杂量为15％，通过调节氮气和氧气的流量比使制得的涂层中氮元素和氧元素的质量比为5：1；
[0081] (4)关闭电源，待真空腔室的温度降至室温后，打开真空腔室取出形成有类金刚石碳结构的硅片。
[0082] 实施例5
[0083] (1)用有机溶剂超声清洗硅片，然后用去离子水漂洗，并采用干燥压缩空气吹干；‑3
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
[0084] (2)向真空腔室通入流量为200sccm的氩气，并控制真空腔室整体气压为0.6Pa；启动装载有硅靶材的电弧蒸发源，设置其电流为100A，同时向硅片施加数值100V的负极电压，逐渐通入高纯乙炔，直至高纯乙炔的流量达到200sccm，沉积Si/SiCx过渡层的厚度为600nm；
[0085] (3)启动阳极层离子源并设置其功率为1000W，通入流量为100sccm的高纯乙炔，并通入总流量为100sccm的高纯氮气和高纯氧气，在数值200V的负极电压下沉积厚度为2000nm的、氮‑氧共掺杂的类金刚石涂层，并通过调节氮气和氧气的总流量使得制得的涂层中氮元素的掺杂量为8％，通过调节氮气和氧气的流量比使制得的涂层中氮元素和氧元素的质量比为1：1；
[0086] (4)关闭电源，待真空腔室的温度降至室温后，打开真空腔室取出形成有类金刚石碳结构的硅片。
[0087] 实施例6
[0088] (1)用有机溶剂超声清洗304不锈钢工件，然后用去离子水漂洗，并采用干燥压缩‑空气吹干；将清洗并干燥后的304不锈钢工件置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10
3
Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向304不锈钢工件施加数值1000V的负极电压，清洗
30min；
3
Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向304不锈钢工件施加数值1000V的负极电压，清洗
30min；
[0089] (2)向真空腔室通入流量为200sccm的氩气，并控制真空腔室整体气压为0.6Pa；启动装载有铬靶材的电弧蒸发源，设置其电流为100A，同时向金属工件施加数值100V的负极电压，逐渐通入高纯甲烷，直至高纯甲烷的流量达到200sccm，沉积Cr/CrCx过渡层的厚度为100nm；
[0090] (3)启动阳极层离子源并设置其功率为2000W，通入流量为50sccm的高纯甲烷，并通入总流量为50sccm的高纯氮气和高纯氧气，在数值200V的负极电压下沉积厚度为200nm的、氮‑氧共掺杂的类金刚石涂层，并通过调节氮气和氧气的总流量使得制得的涂层中氮元素的总掺杂量为20％，通过调节氮气和氧气的流量比使制得的涂层中氮元素和氧元素的质量比为3：1；
[0091] (4)关闭电源，待真空腔室的温度降至室温后，打开真空腔室取出形成有类金刚石碳结构的304不锈钢工件。
[0092] 对比例1
[0093] (1)用有机溶剂超声清洗硅片，然后用去离子水漂洗，并采用干燥压缩空气吹干；‑3
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
[0094] (2)向真空腔室通入流量为200sccm的氩气，并控制真空腔室整体气压为0.6Pa；启动装载有硅靶材的电弧蒸发源，设置其电流为100A，同时向硅片施加数值100V的负极电压，逐渐通入高纯乙炔，直至高纯乙炔的流量达到200sccm，沉积Si/SiCx过渡层的厚度为600nm；
[0095] (3)启动阳极层离子源并设置其功率为1000W，通入流量为100sccm的高纯乙炔，并通入流量为100sccm的高纯氮气，在数值200V的负极电压下沉积厚度为2000nm的、氮掺杂的类金刚石涂层，并通过调节氮气流量使得制得的涂层中氮元素的掺杂量为21％；
[0096] (4)关闭电源，待真空腔室的温度降至室温后，打开真空腔室取出形成有类金刚石碳结构的硅片。
[0097] 对比例2
[0098] (1)用有机溶剂超声清洗硅片，然后用去离子水漂洗，并采用干燥压缩空气吹干；‑3
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
[0099] (2)向真空腔室通入流量为200sccm的氩气，并控制真空腔室整体气压为0.6Pa；启动装载有硅靶材的电弧蒸发源，设置其电流为100A，同时向硅片施加数值100V的负极电压，逐渐通入高纯乙炔，直至高纯乙炔的流量达到200sccm，沉积Si/SiCx过渡层的厚度为600nm；
[0100] (3)启动阳极层离子源并设置其功率为1000W，通入流量为100sccm的高纯乙炔，并通入流量为100sccm的高纯氧气，在数值200V的负极电压下沉积厚度为2000nm的、氧掺杂的类金刚石涂层，并通过调节氧气流量使得制得的涂层中氧元素的掺杂量为21％；
[0101] (4)关闭电源，待真空腔室的温度降至室温后，打开真空腔室取出形成有类金刚石碳结构的硅片。
[0102] 对比例3
[0103] (1)用有机溶剂超声清洗硅片，然后用去离子水漂洗，并采用干燥压缩空气吹干；‑3
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
将清洗并干燥后的硅片置于真空腔室的工件支架上，抽真空至4×10 Pa以下，然后开启离子源，向真空腔室中通入流量为350sccm的氩气，使真空腔室气压维持在0.6Pa，并设置离子源功率为1000W，向硅片施加数值1000V的负极电压，清洗30min；
[0104] (2)向真空腔室通入流量为200sccm的氩气，并控制真空腔室整体气压为0.6Pa；启动装载有硅靶材的电弧蒸发源，设置其电流为100A，同时向硅片施加数值100V的负极电压，逐渐通入高纯乙炔，直至高纯乙炔的流量达到200sccm，沉积Si/SiCx过渡层的厚度为600nm；
[0105] (3)启动阳极层离子源并设置其功率为1000W，通入流量为100sccm的高纯乙炔，在数值200V的负极电压下沉积厚度为2000nm的类金刚石涂层；
[0106] (4)关闭电源，待真空腔室的温度降至室温后，打开真空腔室取出形成有类金刚石碳结构的硅片。
[0107] 性能测试：
[0108] 将以上各实施例和对比例中制得的类金刚石碳结构分别进行摩擦系数(GB/T‑10006‑2021)、硬度(GB/T 4340.1‑2012)以及电阻率检测(GB/T 6146‑2010)，所得结果见表
1：
1：
[0109] 表1
[0110] 摩擦系数 硬度/HV25 电阻率/KΩ·cm实施例1 0.082 2100 0.22
实施例2 0.083 2120 0.66
实施例3 0.082 1550 0.20
实施例4 0.081 1830 0.28
实施例5 0.082 1580 0.54
实施例6 0.081 2050 0.25
对比例1 0.081 1200 1.2
对比例2 0.082 900 1.3
对比例3 0.085 2150 40
实施例2 0.083 2120 0.66
实施例3 0.082 1550 0.20
实施例4 0.081 1830 0.28
实施例5 0.082 1580 0.54
实施例6 0.081 2050 0.25
对比例1 0.081 1200 1.2
对比例2 0.082 900 1.3
对比例3 0.085 2150 40
[0111] 从表1可知，对于未进行任何掺杂的类金刚石涂层(对比例3)，其虽然具备较高的硬度，可达2150HV，但电阻率较大，为40KΩ·cm，导电性不足以满足3C电子领域的需求；如果对涂层进行21％的单一氮掺杂(对比例1)或单一氧掺杂(对比例2)，虽然能够有效降低涂2
层的电阻，但涂层的硬度将大幅下降，这是因为氮掺杂导致涂层中sp结构含量过多，硬度下降至1200HV，而氧掺杂则导致涂层被氧化，硬度下降更多，仅900HV。
层的电阻，但涂层的硬度将大幅下降，这是因为氮掺杂导致涂层中sp结构含量过多，硬度下降至1200HV，而氧掺杂则导致涂层被氧化，硬度下降更多，仅900HV。
[0112] 而在同样是21％的总掺杂量的情况下，实施例1通过进行合理比例的氮‑氧共掺杂，在维持硬度仅下降了50HV的前提下，将电阻率大幅降至0.22KΩ·cm，有效实现了类金刚石涂层力学性能与导电性能的平衡。实施例2中氮：氧的比例不变，但总掺杂量降至11.2％，硬度虽然较实施例1有微弱的优势，但电阻率明显上升，不过，0.66KΩ·cm的电阻率表明实施例2制备的涂层依然具备优越的导电性；实施例3中总掺杂量较高，导电性较实施例1微弱提升，硬度有明显的降幅，但也符合实际使用需求；实施例4总掺杂量不变，但氮：
氧比例较实施例1有所提升，氧含量稍低，因此硬度有所下降；实施例5总掺杂量不变，但氮：
氧比例较实施例1有所下降，氧含量稍高，导致极少量的氧化，涂层硬度下降明显，导电性也不如实施例1，整体性能有所下降。
氧比例较实施例1有所提升，氧含量稍低，因此硬度有所下降；实施例5总掺杂量不变，但氮：
氧比例较实施例1有所下降，氧含量稍高，导致极少量的氧化，涂层硬度下降明显，导电性也不如实施例1，整体性能有所下降。
[0113] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0114] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准，说明书可以用于解释权利要求的内容。