摻氮類(lèi)金剛石薄膜的微觀(guān)結構和光學(xué)特性研究

　　采用射頻等離子增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)制備摻氮類(lèi)金剛石薄膜(DLC:N)，通過(guò)原子力顯微鏡,拉曼光譜和橢圓偏振光譜等對試驗樣品進(jìn)行研究,實(shí)驗結果表明，在薄膜中，氮元素主要以C=N 鍵的形式存在，起到了降低薄膜內應力，提高薄膜附著(zhù)力的作用;此外，通過(guò)控制摻氮量可以制得折射率在1.85~1.6 范圍內的DLC 薄膜。

　　DLC 薄膜是一種新型的功能薄膜材料，具有良好的熱穩定性，抗腐蝕能力，高電阻和電絕緣強度，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(guò)程中產(chǎn)生較大的內應力，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(lèi)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(lái)改變其性能，結果發(fā)現：摻硅可以提高薄膜的紅外透過(guò)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應力有所降低，穩定性有所提高;Cohen等人發(fā)現氮的摻雜可以提高薄膜的附著(zhù)力，從而達到提高膜厚的目的。這些發(fā)現對于類(lèi)金剛石薄膜的應用都有著(zhù)重要的意義。

　　在此基礎上，本文采用RF- PECVD 法，希望通過(guò)改善類(lèi)金剛石薄膜的內部結構而使其具有更優(yōu)良的性能，通過(guò)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(guān)組成，結構特征和光學(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

　　本實(shí)驗中，采用射頻等離子增強化學(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，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)現摻雜，系統的反應壓力為1.3 Pa。實(shí)驗通過(guò)原子力顯微鏡(本實(shí)驗中采用俄羅斯Verp47 型AFM) 觀(guān)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(lái)表征薄膜的微觀(guān)結構和組成特征;光學(xué)參數采用橢圓偏振儀(ELLI- B 型測試儀)測量譜線(xiàn)，通過(guò)數學(xué)擬合而確定。

2、結果與討論

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(jiàn)，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(zhù)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。

　　從薄膜內部化學(xué)鍵的角度分析，類(lèi)金剛石薄膜中一定量C- H 鍵的存在會(huì )使sp2 鍵和sp3 鍵發(fā)生畸變，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )處于限制太緊的狀態(tài)，因而形成非常大的內應力;摻氮后，薄膜內部形成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，起到了降低薄膜內應力，提高薄膜附著(zhù)力的作用;此外，氮的摻入使得薄膜的表面粗糙度降低，這說(shuō)明薄膜顆粒密度隨摻氮量的增加而增加，并且更加細致均勻。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、結論

　　通過(guò)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氫原子組成的DLC 薄膜更高的穩定性和附著(zhù)力，并且通過(guò)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)穩定的光學(xué)薄膜，具有非常廣闊的發(fā)展前景。