摻氮類金剛石薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性研究
采用射頻等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)制備摻氮類金剛石薄膜(DLC:N)，通過原子力顯微鏡,拉曼光譜和橢圓偏振光譜等對試驗(yàn)樣品進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在薄膜中，氮元素主要以C=N 鍵的形式存在，起到了降低薄膜內(nèi)應(yīng)力，提高薄膜附著力的作用;此外，通過控制摻氮量可以制得折射率在1.85~1.6 范圍內(nèi)的DLC 薄膜。
DLC 薄膜是一種新型的功能薄膜材料，具有良好的熱穩(wěn)定性，抗腐蝕能力，高電阻和電絕緣強(qiáng)度，尤其是在紅外頻段具有極好的透射性和光學(xué)折射率，但制備過程中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，膜與基體易分離，使得薄膜的厚度受到限制。
為了進(jìn)一步提高類金剛石薄膜的實(shí)用性，很多研究人員嘗試在薄膜中摻入不同元素來改變其性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：摻硅可以提高薄膜的紅外透過率;王進(jìn)在薄膜中摻磷可以改善其血液相容性;Narayan等人的工作表明金屬的摻雜可以使薄膜內(nèi)應(yīng)力有所降低，穩(wěn)定性有所提高;Cohen等人發(fā)現(xiàn)氮的摻雜可以提高薄膜的附著力，從而達(dá)到提高膜厚的目的。這些發(fā)現(xiàn)對于類金剛石薄膜的應(yīng)用都有著重要的意義。
在此基礎(chǔ)上，本文采用RF- PECVD 法，希望通過改善類金剛石薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而使其具有更優(yōu)良的性能，通過原子力顯微鏡，拉曼光譜和橢圓偏振光譜對摻氮后薄膜的微觀組成，結(jié)構(gòu)特征和光學(xué)特性進(jìn)行分析，深入討論摻氮量對薄膜的影響。1、實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)中，采用射頻等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，用13.56 MHz 射頻電源進(jìn)行供電，平行板電容耦合式放電系統(tǒng)，極板間距為40 mm, 給基片([001]單晶硅片)施加- 150 V 偏壓。用CH4 作為碳源，混合Ar，保持CH4 和Ar 的流量為15 sccm 和85 sccm， 控制N2 的流量在0 sccm~100 sccm 之間，實(shí)現(xiàn)摻雜，系統(tǒng)的反應(yīng)壓力為1.3 Pa。實(shí)驗(yàn)通過原子力顯微鏡(本實(shí)驗(yàn)中采用俄羅斯Verp47 型AFM) 觀察摻氮后薄膜的表面形貌特征;用拉曼光譜(采用Jy- HR800 型激光拉曼光譜儀)來表征薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和組成特征;光學(xué)參數(shù)采用橢圓偏振儀(ELLI- B 型測試儀)測量譜線，通過數(shù)學(xué)擬合而確定。
2、結(jié)果與討論
2.1、DLC：N 的原子力顯微鏡表面形貌表征
下圖1 分別是DLC 薄膜和含氮量分別為3.5%，8.6%和12.7%的DLC 薄膜的AFM 圖片。由圖(a)可見，未摻氮的DLC 薄膜，由尺度為幾百納米的顆粒所組成，顆粒之間存在很多縫隙和孔洞;而摻氮后，薄膜表面顆粒大小明顯減小，顆粒大小變得均勻，隨著摻氮量的增加，突出的顆粒從幾百納米減小到幾十納米，并且顆粒密度逐漸增大。
從薄膜內(nèi)部化學(xué)鍵的角度分析，類金剛石薄膜中一定量C- H 鍵的存在會使sp2 鍵和sp3 鍵發(fā)生畸變，整個網(wǎng)絡(luò)處于限制太緊的狀態(tài)，因而形成非常大的內(nèi)應(yīng)力;摻氮后，薄膜內(nèi)部形成C- N鍵，C=N 鍵，這兩種鍵合方式所引起的晶格畸變比C- H 鍵小很多，因此，氮的摻入降低了C- H 鍵的含量，起到了降低薄膜內(nèi)應(yīng)力，提高薄膜附著力的作用;此外，氮的摻入使得薄膜的表面粗糙度降低，這說明薄膜顆粒密度隨摻氮量的增加而增加，并且更加細(xì)致均勻。而圖中顯示的非常大的突起，可能是由于薄膜表面的灰塵等雜質(zhì)顆粒的影響。
3、結(jié)論
通過原子力顯微鏡、拉曼光譜和橢圓偏振光譜對DLC :N 薄膜的研究表明，氮原子在薄膜中主要以C=N 鍵和C- N 鍵的形式存在，氮的摻入使薄膜具有比碳?xì)湓咏M成的DLC 薄膜更高的穩(wěn)定性和附著力，并且通過控制薄膜的摻氮量可以制得n=1.85~1.6 的薄膜。因此，DLC：N 薄膜是一種優(yōu)良的，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的光學(xué)薄膜，具有非常廣闊的發(fā)展前景。
