ICP-CVD制備a-CHON及光學(xué)性能分析

2013-09-25 陳 飛 西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

　　采用外置電感耦合等離子體化學(xué)氣相沉積法，以高純CH4/ N2/ CO2 /H2 作為反應氣體，制備出非晶的a-CHON 薄膜。研究了放電功率對薄膜沉積速率、表面形貌及光學(xué)性能的影響。結果表明沉積速率隨著(zhù)放電功率的增加而增加，而非線(xiàn)性增加；原子力顯微鏡分析結果表明放電功率對薄膜粗糙度有較大的影響；紅外光譜分析表明了薄膜內部存在C-O，C= O，CSN 以及C-H 鍵；紫外- 可見(jiàn)- 近紅外光分析表明，薄膜的光學(xué)帶隙隨放電功率的增加而減��；薄膜折射率在可見(jiàn)光區的色散圖表明，折射率隨入射光頻率的增加而減小，出現反常色散關(guān)系；而在同一波長(cháng)下薄膜的折射率先隨放電功率的增加而減小，而后又有所增加。

　　非晶碳氮薄膜(a-CNx)以及類(lèi)金剛石(DLC)薄膜因具有許多優(yōu)異的性能，如較高的硬度、低的摩擦系數、較高的折射率和熱傳導性以及優(yōu)異的化學(xué)穩定性等，而引起人們的廣泛關(guān)注，這些優(yōu)異的性能使其在許多工業(yè)中有很大的應用價(jià)值。例如，利用其較高的硬度、低的摩擦系數、化學(xué)穩定性以及光學(xué)性能可以作為光學(xué)保護涂層和耐磨損材料。

　　為了進(jìn)一步改善和發(fā)掘其潛在優(yōu)異的性能，人們又對a-CNx 薄膜和DLC 薄膜實(shí)施了各種元素的摻雜，目前主要是針對摻O、N 的DLC 薄膜(a-CO:H 和a-CN:H) 和摻H 元素的a-CNx 薄膜(a-CN:H) 這兩種體系進(jìn)行了研究，同時(shí)還研究了沉積參數對薄膜化學(xué)鍵結構、光學(xué)和電學(xué)等其他性能的影響。但是,對于同時(shí)含有O、N 元素的a-C:H 薄膜(a-CHON) ，這種復合體系非晶薄膜的制備和光學(xué)性能的研究還未曾報道，單一摻N 元素可以改善a-CN:H薄膜的機械性以及室溫電導率，而單一摻O 元素的a-CO:H薄膜隨O 元素摻雜量的增加具有較低的介電常數，且提高了薄膜的表面質(zhì)量。如果能同時(shí)摻雜O、N 元素可以綜合改善會(huì )薄膜的生長(cháng)質(zhì)量、表面形貌、機械性能以及光電性能，通過(guò)調節合適的沉積參數，可以制備出我們預期想要某一性能的薄膜，而且對于O、N元素對薄膜的光學(xué)性能以及其他性能的影響機制還不清楚。因此，本文就著(zhù)重研究了同時(shí)含有O、N元素的a-CHON 薄膜的合成與制備，以及相關(guān)沉積參數對薄膜生長(cháng)、表面形和光學(xué)性能的影響。

　　本工作采用射頻等離子體化學(xué)氣相沉積(RFPECVD)方法制備a-CHON薄膜，其等離子體源為射頻電感耦合，即ICP，這種等離子體源相比傳統的電容耦合等離子(CCP) ，在放電區域有更高的等離子體密度，不僅提高了沉積速率，還縮短了實(shí)驗周期時(shí)間。制備出的薄膜，通過(guò)膜厚的測量，原子力顯微鏡(AFM) 圖譜測試，紅外光譜以及紫外-可見(jiàn)-近紅外測試結果，主要研究了放電功率，這一重要參數對薄膜成長(cháng)、表面形貌、化學(xué)鍵結構以及光學(xué)性能的影響，同時(shí)利用透射光譜和吸光度的測試結果，分析了放電功率對薄膜的內部電子結構及能帶的影響。

1、實(shí)驗

1.1、薄膜的制備

　　采用外置式電感耦合RF-PECVD 進(jìn)行a-CHON薄膜的制備，其設備如圖1 示，其中電感線(xiàn)圈為中空銅管，并且通入冷卻水，以防止在輝光放電時(shí)溫度過(guò)高，射頻源輸出功率通過(guò)匹配器調節耦合到電感上,在一定真空度下通入氣體，通過(guò)電感上的高頻電場(chǎng)感應出高頻磁場(chǎng)和電場(chǎng)，加速氣體中電子與氣體原子發(fā)生碰撞，從而電離氣體原子，生成具有化學(xué)活性的等離子或粒子基團。反應氣體為CH4、N2、CO2 和H2( 99.99% ) ，其中CH4 和CO2 作為碳源，而氮源為N2，控制插板閥，將工作沉積氣壓維持在10 Pa，CH4/N2/ CO2/ H2 氣體流量比5B2B1B5，H2 氣體流量為10 mL/min(標準狀態(tài)) 。

ICP- PECVD 裝置示意圖

圖1 ICP- PECVD 裝置示意圖

　　薄膜襯底為Si(111) 和拋光石英玻璃片，在放入真空室內之前，先將Si 片和石英玻璃片分別在洗滌溶液-丙酮-四氯化碳-無(wú)水乙醇中，用超聲波電源各超聲清洗10 min，另外Si片還要在HF 溶液中腐蝕清洗1min，之后分別吹干Si 片和石英片，然后放入真空室中，采用分子泵和機械泵將真空室的真空度抽到2 × 10-3 Pa 以下。在輝光放電沉積薄膜之前,先單獨通入10 mL/ min 的H2，氣壓保持3 Pa，輸入功率100W，輝光放電10 min，對襯底進(jìn)行離子刻蝕清洗，去除表面因暴露在大氣環(huán)境中而吸附的氧或其他雜質(zhì)，然后再通入反應氣體開(kāi)始沉積薄膜，放電功率參數設置為8 個(gè)，分別為50，80，100，110，130，150，180 和200 W，沉積溫度為室溫，沉積時(shí)間為3 h。待薄膜沉積完后，自然冷卻，放掉真空，取出樣品。

1.2、薄膜的表征

　　本實(shí)驗采用臺階儀測試薄膜的厚度，再對比沉積時(shí)間得出沉積速率。采用AFM 進(jìn)行觀(guān)察a-CHON薄膜的表面形貌；利用美國PE 儀器公司生產(chǎn)的傅里葉變換紅外光譜儀( FT-IR) 對薄膜進(jìn)行紅外光譜測試，觀(guān)察其內部成鍵情況；薄膜的透射率和反射率是通過(guò)日本島津公司生產(chǎn)的UV-3150 紫外、可見(jiàn)-近紅外分光光度計來(lái)獲得，并利用相關(guān)公式求出薄膜的光學(xué)帶隙和吸收系數以及在550 nm 光波下薄膜的折射率。

結論

　　采用外置電感耦合RF-PECVD制備了a-CHON薄膜，探討了成膜速率與放電功率之間的關(guān)系，結果發(fā)現沉積速率隨放電功率的提高而增加；AFM 測試表明薄膜的表面粗糙度受放電功率有一定的影響,150 W 制備的薄膜表面較為粗糙；紅外光譜測試表明O元素是以C-O或C=O摻入薄膜內部的；通過(guò)對a-CHON 薄膜光學(xué)性能測試，結果表明，薄膜在紫外光區有很高的吸收，而對可見(jiàn)光區和紅外光區有較高的透射率；薄膜的吸收系數計算結果表明了不同放電功率制備的薄膜在入射光250~ 2400nm 范圍內存在3個(gè)吸收區；Tauc公式計算結果表明，a-CHON薄膜的光學(xué)帶隙隨放電功率的增加而逐漸減��；不同功率下制備的薄膜，在可見(jiàn)光區的折射率隨入射光頻率的減小而增大，出現反常色散關(guān)系，而在某一波長(cháng)(550 nm) 的折射率先隨放電功率的增加而減小，而后又有所增加。