实验条件对a-CNx:H薄膜光学性质影响的研究进展

  • 投稿鲁西
  • 更新时间2015-09-17
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马婷婷1吴卫东1,2

(1.西南科技大学理学院,四川绵阳621010;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900)

摘要:非晶碳氢薄膜a?CNx∶H是一类具有亚稳态非晶结构的薄膜材料,具有很多类似金刚石的优异特性,现基于a?CNx∶H薄膜优异的光学性质,研究射频功率、基片、刻蚀、退火等不同实验条件下制备的a?CNx∶H薄膜,采用综合对比分析法,得出实验条件对其光学性质的影响。

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关键词 :射频功率;基片;刻蚀;退火;实验条件;a?CNx∶H薄膜;光学性质

0引言

非晶碳氢薄膜a?CNx∶H具有优异的光学性质,透过率高达98%,可以用作各种窗口材料,如激光窗口、导弹透镜、航天器窗口、卫星遥感器窗口等,还可作为光学器件的保护膜、增透膜。碳氮薄膜作为一种耐磨涂层、光学保护涂层及新型半导体材料,目前,无定形碳氮薄膜已被用作磁性驱动器的保护涂层[1?2],其应用具有非常诱人的前景,因此对其性质进行研究十分有必要。

本文总结了在不同的射频功率、基片、刻蚀、退火等实验条件下制备的薄膜光学性质的差异性。

1射频功率对薄膜光学性质的影响

HaruhisaKinoshita等人固定电极的射频功率为10W,然后改变上电极的射频功率,从0~800W,对射频功率0~20W、25~100W和100~800W情况下薄膜的光学性质分别进行了研究。

射频功率在0~20W时,薄膜的光学带隙很大(约为2eV),几乎是个常数,而且膜是透明的。他们认为宽光学带隙可能是由于小尺寸的CC团簇与大量的NH、CH等键的形成引起的,这样的膜是高分子膜。

射频功率在25~100W时,膜的光学带隙从0.8eV减小到0.5eV,而且膜是不透明的。他们认为光学带隙的减少可能是CC双键的形成、薄膜的石墨化等导致的[3],在文献[4]中提到,氮作为sp2杂化CC团簇的桥梁原子,其结合了N的团簇的光学带隙的减小可能与sp2杂化CC团簇的尺寸增大有关。

射频功率在100~800W范围内时,a?CNx∶H薄膜的折射率接近常数,为2.05±0.06。薄膜的折射率随UPRF变化很小,几乎不依赖UPRF变化。这个值与硬类金刚石碳薄膜的折射率2.0~2.1很接近。硬类金刚石碳薄膜是由大量的sp2团簇与sp3杂化的C原子及少量的H原子组成。文献[5]认为硬碳薄膜中的电子构成漂移电导,而它们对可见光的反应是很弱的。因此,尽管电阻改变很大,而折射率却改变很小。

射频功率从100W降到5W时,薄膜的光学带隙由2.09eV降到1.54eV。

2基片对薄膜光学性质的影响

2.1不同基片对薄膜光学性质的影响

由于Si片的热效应比SiO2(玻璃)片的热效应高,所以在制备a?CNx∶H薄膜时,真空室的高密度等离子体中可见紫外光线热辐射引起的热效应,Si片的温度高于SiO2片的温度。因此,Si片上沉积的薄膜sp2相较多,而sp2石墨相透光性比较差,sp3金刚石相透光性比较好。可见,相同实验条件下,Si片沉积的薄膜透光性要优于SiO2片沉积的薄膜。

因为Si的光学带隙是1.1eV,而SiO2的光学带隙约为4eV,Si与SiO2的热质量相同,因此,(由光与振动引起的)热能将在Si衬底上聚集,并很快产生比在玻璃衬底上高的温度。文献[6]中提到,随着衬底温度的升高,膜的沉积速率增加。

2.2基片温度的影响

增加基片温度可以加速表面原子的扩散,有利于将吸附在基片表面的吸附气体排除,增加沉积薄膜与基片之间的结合力,同时还可以减少膜层的内应力[7],使得薄膜生长致密,表面平滑均匀。随着基片温度的升高与离子轰击能量的增加,沉积速率也在提高,使得薄膜中sp2团簇杂化的尺度增多或密度增加,将引起薄膜的光学带隙降低[8]。

3退火

退火也是一种对薄膜成品的处理方式,刘益春等人对a?CNx∶H薄膜进行了退火处理,发现其光学带隙随着退火温度的升高而下降,并使得sp3区的势垒限制作用变弱,光致发光强度下降。这是因为sp3相碳是不稳定的,热退火使得部分sp3相向sp2相转变,引起了sp2区域尺寸增大。随着退火温度的升高,弱化的CH键断裂,并有氢气从样品中释放出来,造成新的缺陷,这些缺陷可以引起发光的猝灭,即降低了材料发光的热稳定性。

4刻蚀

光学带隙不受刻蚀的影响,刻蚀前后光学带隙没有发生变化,刻蚀后膜中N原子浓度不变。

5结语

由于不同研究小组采用的实验条件不尽相同,而a?CNx∶H薄膜的光学性能与其实验条件密切相关,于是对光学性能的评价以及相关机理的分析也存在一定差异,至今未形成统一的认识。

因此,本文系统性地总结了射频功率、基片、刻蚀、退火等不同实验条件对a?CNx∶H薄膜光学性质的影响。

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参考文献]

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收稿日期:2015?07?21

作者简介:马婷婷(1982—),女,山西大同人,助教,从事薄膜研究工作。