采用過濾陰極真空電弧技術以相同的工藝條件在p（100）單晶硅襯底上制備了不同厚度的四面體非晶碳薄膜，并利用表面輪廓儀測試薄膜的厚度和應力，利用納米壓入儀測試薄膜的硬度、楊氏模量和臨界刮擦載荷。試驗表明，在一定的掃描波形條件下，薄膜大約以0.7 nm/s的沉積速率穩定生長。隨著膜厚的增加，薄膜的應力持續降低，當膜厚超過30 nm時，應力將低于5GPa；當膜厚超過300 nm時，硬度和楊氏模量分別將近70GPa和750GPa，已經十分接近體金剛石的性能指標。另外，隨著膜厚增加所產生的應力變化，也導致了可見光拉曼光譜非對稱寬峰的峰位逐漸向低頻偏移。
關鍵詞：四面體非晶碳；過濾陰極真空電弧；機械性能；應力

四面體非晶碳（ta-C）是含有較高比例四配位σ鍵（可達70％以上）的無氫類金剛石碳[1]，具備許多堪與金剛石晶體相媲美的優異性能，并在電子、機械、國防和醫療等領域有著廣闊的應用前景[2~5]。四面體非晶碳薄膜一般采用激光、電弧和離子束等能量形式產生粒子束沉積而成[6~9]，這就導致高內應力與高硬度、高模量、高耐磨性、高透光性和高生物相容性等卓越性能相伴而生[10,11]。高壓應力又限制了薄膜不剝落的穩定厚度為100～200 nm[12,13]，難以達到不同使用要求，從而成為制約其廣泛應用的瓶頸。顯然，弄清薄膜厚度對應力、硬度、模量、臨界載荷等機械性能的影響規律有著重要的現實意義。
為此，本文采用過濾陰極真空電弧技術，在拋光單晶硅襯底上于室溫條件下制備了不同厚度的四面體非晶碳薄膜，研究膜厚對薄膜應力、硬度、楊氏模量等機械性能的變化規律。
2.1 試樣制備
采用離面雙彎過濾陰極真空電弧（FCVA）類金剛石薄膜沉積系統制備樣品，實驗原理詳見文獻[14]。沉積時，對襯底施加相同的直流脈沖負偏壓（－80V），固定脈沖頻率1500Hz，脈寬25s μ ，從0~500s改變沉積時間獲得一組厚度不同的四面體非晶碳薄膜試樣。利用光敏傳感器定位的機械引弧機構每隔15 s定時強制觸發電弧，確保高純石墨陰極的靶面平整和電弧的持續穩定燃燒。所有試驗均采用相同的掃描波形，保證在直徑250 mm的沉積區域內膜厚均勻。除應力試樣襯底采用厚度0.5mm直徑2英寸的硅拋光片外，其它試樣均采用同一批次厚度0.75mm的P(100)單晶硅拋光片。厚度標樣在沉積前用記號筆的襯底上劃一橫線。沉積前，用丙酮超聲清洗襯底15min，并用Kaufman氬離子槍刻蝕5min，固定氬氣流量8mL/min，采用相同的電源參數?？涛g時，用覆蓋物將厚度標樣遮蔽。電弧電流設置為60A，沉積前本底真空度為0.3mPa，沉積時由于陰極放氣真空度將有所升高。