沉積角度對激光沉積類(lèi)金剛石膜的影響

2014-10-25 郭延龍 武漢軍械士官學(xué)校光電技術(shù)研究所

　　在光學(xué)級雙面拋光硅襯底上，采用準分子KrF 激光，保持激光單脈沖能量700 mJ 和激光功率密度8.27 × 108W/cm2不變，通過(guò)傾斜襯底的方法，在沉積角度(等離子體中粒子的飛行方向與襯底表面法線(xiàn)的夾角) 分別為0°，20°和40°三種條件下沉積出三個(gè)類(lèi)金剛石(DLC) 膜樣品。測試分析了不同沉積角度下DLC 膜樣品的紅外透過(guò)率、納米硬度、彈性模量及拉曼光譜。發(fā)現沉積角度從0°增加到40°的過(guò)程中，沉積角度越大，DLC 膜的透過(guò)率越低，光學(xué)吸收越大，納米硬度和彈性模量也越小，拉曼光譜的分峰結果中D峰與G峰的積分強度比ID/IG逐漸變大，G 峰半高寬變小，說(shuō)明膜中金剛石相( sp3 鍵) 含量逐漸減小。利用“淺注入”理論分析了沉積角度對DLC 膜性能的影響機理，從而揭示了激光沉積大面積平面及球面DLC 膜時(shí)襯底不同位置DLC 膜性能不一致的機理。

　　類(lèi)金剛石( DLC) 膜同時(shí)具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系數、高耐腐蝕性、高絕緣性、高導熱性和光學(xué)透明性等優(yōu)良特性，因此在力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等領(lǐng)域廣為應用。在制備DLC 膜的各種方法中，脈沖激光沉積法越來(lái)越受到重視，這是因為該方法具有無(wú)氫、碳離子動(dòng)能高、易于摻雜等特點(diǎn)。當激光沉積DLC 薄膜時(shí)，對于大面積平面襯底和球面襯底，經(jīng)常會(huì )遇到襯底不同位置沉積出的薄膜性能不一致的問(wèn)題。襯底的不同位置，與靶材的距離不同，沉積角度也不同。到底是與靶材的距離影響了DLC 膜的性能，還是沉積角度( 等離子體中粒子的飛行方向與襯底表面法線(xiàn)的夾角) 影響了性能? 其中的原因一直缺乏深入的研究。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為與電子束沉積等裝置相比，激光沉積薄膜裝置中的靶材與襯底距離更近，因此對于襯底不同位置，沉積角度具有更大的差異，更需要加強沉積角度對薄膜性能影響的研究。這對于DLC 膜的工業(yè)應用更為重要。本文通過(guò)傾斜襯底而不是移動(dòng)或傾斜靶材來(lái)改變沉積角度，因此等離子體的動(dòng)能和分布不受影響。

1、實(shí)驗

　　實(shí)驗在自研的多功能真空裝置中進(jìn)行。沉積時(shí)真空度為1.2 × 10 -3 Pa。采用KrF 準分子激光器，激光波長(cháng)248 nm，脈寬20 ns，重復頻率50 Hz。采用焦距為0. 5 m 的凸透鏡，將激光聚焦入射到靶材上，入射角為45°。靶材上光斑面積為0.0423 cm2，激光能量為700 mJ 時(shí)靶材上激光功率密度為8.27× 108 W/cm2。為了避免靶材粗糙化和等離子體偏斜，采用激光在旋轉的靶材上掃描的技術(shù)。

　　襯底采用Φ25.4 mm × 3 mm 的光學(xué)級雙面拋光硅襯底。靶材中心與襯底中心的間距始終為11cm 不變。沉積之前，用氬離子濺射清洗硅襯底。采用了一個(gè)特制的襯底臺，它可以沿一條水平軸旋轉，從而改變沉積角。沉積角定義為襯底表面法線(xiàn)與碳離子飛行方向( 等離子體中軸線(xiàn)) 的夾角。沉積時(shí)襯底不運動(dòng)。無(wú)論在哪種沉積角度下，襯底中心都始終位于等離子體中軸線(xiàn)上。1 #樣品的沉積角是0°，激光脈沖數是12 × 104 個(gè)；2 #樣品的沉積角是20°，激光脈沖數是16.5 × 104個(gè)；3#樣品的沉積角是40°，激光脈沖數是20 × 104個(gè)。因為3#樣品的沉積速率最低，因此激光脈沖數最多，沉積時(shí)間最長(cháng)，以保證三個(gè)樣品薄膜厚度接近。根據紅外透過(guò)光譜計算出DLC 膜物理厚度為0.925 μm，采用TFC光學(xué)膜系設計軟件擬合，得出DLC 膜折射率約為2.6，物理厚度約為0.356 μm。圖1 是三個(gè)樣品沉積角度的示意圖。

三個(gè)樣品的沉積角度示意圖

圖1 三個(gè)樣品的沉積角度示意圖

3、結論

　　采用脈沖激光沉積法，分別在0°，20°和40°的沉積角度下制備了系列DLC 膜。測量了薄膜的紅外透過(guò)率、納米硬度、拉曼光譜，研究了它們與沉積角度的關(guān)系。發(fā)現隨著(zhù)沉積角度的減小，DLC 膜的消光系數減小，納米硬度增加，sp3 鍵含量增加。應用“淺注入”理論解釋了其機理，實(shí)驗結果與理論分析一致。說(shuō)明在激光沉積DLC 膜過(guò)程中，應該注重減小沉積角度，可采用加大靶材與襯底距離等措施來(lái)減小沉積角度。