實(shí)驗(yàn)條件對a-CNx∶H薄膜光學(xué)性質(zhì)影響的研究進(jìn)展

馬婷婷1吳衛(wèi)東1，2

(1.西南科技大學(xué)理學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900)

摘要：非晶碳?xì)浔∧-CNx∶H是一類具有亞穩(wěn)態(tài)非晶結(jié)構(gòu)的薄膜材料，具有很多類似金剛石的優(yōu)異特性，現(xiàn)基于a-CNx∶H薄膜優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，研究射頻功率、基片、刻蝕、退火等不同實(shí)驗(yàn)條件下制備的a-CNx∶H薄膜，采用綜合對比分析法，得出實(shí)驗(yàn)條件對其光學(xué)性質(zhì)的影響。

關(guān)鍵詞：射頻功率；基片；刻蝕；退火；實(shí)驗(yàn)條件；a-CNx∶H薄膜；光學(xué)性質(zhì)

0引言

非晶碳?xì)浔∧-CNx∶H具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，透過率高達(dá)98%，可以用作各種窗口材料，如激光窗口、導(dǎo)彈透鏡、航天器窗口、衛(wèi)星遙感器窗口等，還可作為光學(xué)器件的保護(hù)膜、增透膜。碳氮薄膜作為一種耐磨涂層、光學(xué)保護(hù)涂層及新型半導(dǎo)體材料，目前，無定形碳氮薄膜已被用作磁性驅(qū)動器的保護(hù)涂層[1-2]，其應(yīng)用具有非常誘人的前景，因此對其性質(zhì)進(jìn)行研究十分有必要。

本文總結(jié)了在不同的射頻功率、基片、刻蝕、退火等實(shí)驗(yàn)條件下制備的薄膜光學(xué)性質(zhì)的差異性。

1射頻功率對薄膜光學(xué)性質(zhì)的影響

Haruhisa Kinoshita等人固定電極的射頻功率為10 W，然后改變上電極的射頻功率，從0～800 W，對射頻功率0～20 W、25～100 W和100～800 W情況下薄膜的光學(xué)性質(zhì)分別進(jìn)行了研究。

射頻功率在0～20 W時(shí)，薄膜的光學(xué)帶隙很大(約為2 eV)，幾乎是個(gè)常數(shù)，而且膜是透明的。他們認(rèn)為寬光學(xué)帶隙可能是由于小尺寸的CC團(tuán)簇與大量的NH、CH等鍵的形成引起的，這樣的膜是高分子膜。

射頻功率在25～100 W時(shí)，膜的光學(xué)帶隙從0.8 eV減小到0.5 eV，而且膜是不透明的。他們認(rèn)為光學(xué)帶隙的減少可能是CC雙鍵的形成、薄膜的石墨化等導(dǎo)致的[3]，在文獻(xiàn)[4]中提到，氮作為sp2雜化CC團(tuán)簇的橋梁原子，其結(jié)合了N的團(tuán)簇的光學(xué)帶隙的減小可能與sp2雜化CC團(tuán)簇的尺寸增大有關(guān)。

射頻功率在100～800 W范圍內(nèi)時(shí)，a-CNx∶H薄膜的折射率接近常數(shù)，為2.05±0.06。薄膜的折射率隨UPRF變化很小，幾乎不依賴UPRF變化。這個(gè)值與硬類金剛石碳薄膜的折射率2.0～2.1很接近。硬類金剛石碳薄膜是由大量的sp2團(tuán)簇與sp3雜化的C原子及少量的H原子組成。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為硬碳薄膜中的電子構(gòu)成漂移電導(dǎo)，而它們對可見光的反應(yīng)是很弱的。因此，盡管電阻改變很大，而折射率卻改變很小。

射頻功率從100 W降到5 W時(shí)，薄膜的光學(xué)帶隙由2.09 eV降到1.54 eV。

2基片對薄膜光學(xué)性質(zhì)的影響

2.1不同基片對薄膜光學(xué)性質(zhì)的影響

由于Si片的熱效應(yīng)比SiO2(玻璃)片的熱效應(yīng)高，所以在制備a-CNx∶H薄膜時(shí)，真空室的高密度等離子體中可見紫外光線熱輻射引起的熱效應(yīng)，Si片的溫度高于SiO2片的溫度。因此，Si片上沉積的薄膜sp2相較多，而sp2石墨相透光性比較差，sp3金剛石相透光性比較好?？梢?，相同實(shí)驗(yàn)條件下，Si片沉積的薄膜透光性要優(yōu)于SiO2片沉積的薄膜。

因?yàn)镾i的光學(xué)帶隙是1.1 eV，而SiO2的光學(xué)帶隙約為4 eV，Si與SiO2的熱質(zhì)量相同，因此，(由光與振動引起的)熱能將在Si襯底上聚集，并很快產(chǎn)生比在玻璃襯底上高的溫度。文獻(xiàn)[6]中提到，隨著襯底溫度的升高，膜的沉積速率增加。

2.2基片溫度的影響

增加基片溫度可以加速表面原子的擴(kuò)散，有利于將吸附在基片表面的吸附氣體排除，增加沉積薄膜與基片之間的結(jié)合力，同時(shí)還可以減少膜層的內(nèi)應(yīng)力[7]，使得薄膜生長致密，表面平滑均勻。隨著基片溫度的升高與離子轟擊能量的增加，沉積速率也在提高，使得薄膜中sp2團(tuán)簇雜化的尺度增多或密度增加，將引起薄膜的光學(xué)帶隙降低[8]。

3退火

退火也是一種對薄膜成品的處理方式，劉益春等人對a-CNx∶H薄膜進(jìn)行了退火處理，發(fā)現(xiàn)其光學(xué)帶隙隨著退火溫度的升高而下降，并使得sp3區(qū)的勢壘限制作用變?nèi)酰庵掳l(fā)光強(qiáng)度下降。這是因?yàn)閟p3相碳是不穩(wěn)定的，熱退火使得部分sp3相向sp2相轉(zhuǎn)變，引起了sp2區(qū)域尺寸增大。隨著退火溫度的升高，弱化的CH鍵斷裂，并有氫氣從樣品中釋放出來，造成新的缺陷，這些缺陷可以引起發(fā)光的猝滅，即降低了材料發(fā)光的熱穩(wěn)定性。

4刻蝕

光學(xué)帶隙不受刻蝕的影響，刻蝕前后光學(xué)帶隙沒有發(fā)生變化，刻蝕后膜中N原子濃度不變。

5結(jié)語

由于不同研究小組采用的實(shí)驗(yàn)條件不盡相同，而a-CNx∶H薄膜的光學(xué)性能與其實(shí)驗(yàn)條件密切相關(guān)，于是對光學(xué)性能的評價(jià)以及相關(guān)機(jī)理的分析也存在一定差異，至今未形成統(tǒng)一的認(rèn)識。

因此，本文系統(tǒng)性地總結(jié)了射頻功率、基片、刻蝕、退火等不同實(shí)驗(yàn)條件對a-CNx∶H薄膜光學(xué)性質(zhì)的影響。