类金刚石薄膜的结构与光学性能研究

一、前言 类金刚石碳膜(Diamond-Like Carbon Films)是国际上70年代发展起来的一种新型薄膜材料。由于该薄膜具有坚硬耐磨、电阻率和热导率高、化学性能稳定、光学透明等类似于金刚石的特性,因此,自1971年美国人Aisenberg首先发表有关类金刚石碳膜的研究论文后,引起了世界各国的浓厚兴趣。与金刚石薄膜相比,类金刚石薄模有以下3个特点:(1)制备方法比较简便,成本较低,沉积温度低,在二、三百摄氏度以下;(2)沉积膜的微观表面光滑;(3)依赖膜的组分和结构,其性质可在很宽的范围内变化。例如,根据所采用的气源种类等因素的不同,折射率可在1.7～2.9之间变化。这些优点表明:类金刚石薄膜特别适用于作光学零部件的增透膜和保护膜。类金刚石薄膜的性质由其结构所决定,而结构又与制备方法和制备条件有关。因此,研究类金刚石薄膜的性质、结构和沉积工艺间的关系是非常重要的课题。 二、试验方法 改装GDM-300BN型高真空镀膜机。采用平板型阴阳极平行安装,屏蔽的阴极水冷并接13.56MHz射频电源功率极,阳极与真空罩相连并接地。Ar、CH_4、C_2H_2气体流量由质量流量计控制,直流负偏压大小用WYG-30B高压速调管电源调节,设备示意如图1所示。衬底材料为单晶硅和锗。沉积时将丙酮清洗后的样品置于功率     

不同氩气与氢气流量比对硼掺杂纳米金刚石膜的影响

采用直流热阴极PCVD方法,以B(OCH3)3作为硼源,通过改变氩气与氢气流量比,在p型Si衬底上沉积了硼掺杂纳米金刚石膜.研究了不同氩气与氢气流最比对掺硼金刚石膜生长的影响.采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、霍尔系统等对样品的形貌、结构和导电性能进行了表征.结果表明,随着氩气与氢气流量比的增加,膜的晶粒尺寸由微米级向纳米级转变,并且膜中非晶碳成分增多,膜的导电性能变好.     

从二氰二胺的DMF溶液中电化学沉积氮化碳薄膜

首次采用二氰二胺的N,N二甲基甲酰胺(DMF)溶液做沉积液,用Si(100)和ITO导电玻璃做基底,在阴极上电化学沉积了CNx薄膜。X射线衍射(XRD)花样说明沉积的CNx薄膜为非晶结构。X射线光电子能谱(XPS)、傅立叶转换红外光谱(FTIR)分析结果表明CNx样品薄膜的N/C比为0.7左右,碳和氮主要以C—N、C=N的形式成键,有少量的碳和氮以C≡N的形式成键。电阻率测试显示,样品具有较高的电阻率,Si(100)和ITO导电玻璃基底上氮化碳薄膜的电阻率值范围分别为1011～1012Ω·cm和1012～1013Ω·cm。用Si(100)、ITO导电玻璃两种衬底,CNx薄膜的沉积速率、N含量和电阻率不同,说明衬底的选择对沉积过程和沉积膜的性能有重要影响。     

类金刚石薄膜的应用

类金刚石膜(Diamond-likeCarbon)简称DLC,是一类性质类似于金刚石如具有高硬度、高电阻率、耐腐蚀、良好的光学性能等,同时其又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳膜。作为功能薄膜和保护薄膜,其广泛应用于机械、电子、光学、医学、航天等领域中。类金刚石膜制备方法比较简单,易实现工业化,具有广泛的应用前景。本文综述了类金刚石薄膜的性质及应用。     

钠钙玻璃上Mg2Si薄膜的制备及其电学性质

采用磁控溅射技术和退火工艺在钠钙玻璃衬底上制备了Mg_2Si半导体薄膜,研究了Mg膜厚度对Mg_2Si薄膜结构及其电学性质的影响。在钠钙玻璃上分别溅射两组相同厚度(175nm)的P-Si和N-Si膜,然后在其上溅射不同厚度Mg膜(240nm、256nm、272nm、288nm、304nm),低真空退火4h制备一系列Mg_2Si半导体薄膜。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、霍尔效应测试仪对Mg_2Si薄膜的晶体结构、表面形貌、电学性质进行表征与分析。结果表明:采用磁控溅射技术在钠钙玻璃衬底上成功制备出以Mg_2Si(220)为主的Mg_2Si薄膜。随着沉积Mg膜厚度的增加,Mg_2Si衍射峰逐渐增强,薄膜表面更连续,电阻率逐渐减小,霍尔迁移率逐渐降低,载流子浓度逐渐增加。此外,Si膜导电类型和Mg膜厚度共同影响Mg_2Si薄膜的导电类型。溅射N-Si膜时,Mg_2Si薄膜的导电类型随着Mg膜厚度的增加由P型转化为N型;溅射P-Si膜时,Mg_2Si薄膜的导电类型为P型。可以控制制备的Mg_2Si半导体薄膜的导电类型,这对Mg_2Si薄膜的器件开发有着重要的指导意义。     

Mo2C过渡层对金刚石-碳膜场发射均匀性的影响

在经过不同特殊预处理的金属钼衬底上沉积了金刚石 -碳膜 ,分别用X射线衍射谱 (XRD)、拉曼光谱 (Raman)和扫描电子显微镜 (SEM)对样品进行了分析和测试 ,并研究了样品器件的场发射特性。结果发现在金属钼衬底和金刚石 -碳膜之间形成的Mo2 C过渡层与金刚石 -碳膜场发射均匀性有着密切的联系     

极板负偏压对类金刚石薄膜性质的影响

用射频－直流辉光放电系统制备类金刚石薄膜，研究了极板负偏压（Ｖ）对类金刚薄膜性质的影响。结果表明，类金刚石薄膜的性质明显依赖于极板负偏压，在所研究的范围（－３００－９００Ｖ）内，随Ｖ绝对值的增加，薄膜的折射率，消光系数，生长速率，及硬度增加，电阻率下降，Ｖ的变化使膜中Ｈ一及ｓｐ＾３／ｓｐ＾２的比例发生变化，从而使膜的性质发生变化。     

基底温度和氧分压对直流磁控溅射制备的ZnO∶Al薄膜性能的影响

利用直流磁控溅射法在玻璃衬底上制备了ZnO:A l(ZAO)透明导电薄膜。详细研究了沉积时的基片温度、氧分压强对膜的透光率和电阻率的影响。结果表明:ZAO薄膜具有六角纤锌矿结构且呈c轴择优取向,晶粒垂直于衬底方向柱状生长;衬底温度和氧分压对薄膜的电阻率有很大影响;基底温度对薄膜的可见光透过率影响不大,但随氧分压的增大而增大;在衬底温度为250℃、氧分压为1%时,薄膜有最优化的电阻率和平均透光率,分别达到8.35×10-4Ω.cm和85.2%。     

MPCVD法同质外延生长单晶金刚石

利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法在高温高压(HPHT)下制备的单晶片上进行单晶金刚石同质外延生长,研究了甲烷浓度和衬底温度对金刚石生长的影响。利用扫描电子显微镜与激光拉曼光谱仪对生长前后的样品进行表征。结果表明,利用HPHT单晶片上生长时,主要为层状生长和丘状生长模式,丘状生长易出现多晶结构。降低甲烷浓度能够降低丘状生长密度,提高金刚石表面平整度;金刚石生长速率随甲烷浓度、工作气压和衬底温度的增加而提高,但过高的甲烷浓度(72%)和衬底温度(1 150℃)会降低金刚石的质量。所生长出的单晶金刚石质量较为理想,衬底与生长层之间过渡比较自然,金刚石结晶度高,缺陷密度小,但随膜层增厚,非晶碳含量有所增加。     

热灯丝CVD金刚石膜的微结构和形貌对其电子性质的影响

利用热灯丝CVD法在硅衬底上合成出了金刚石膜。金刚石膜的质量和电子性质由扫描电子显微镜、拉曼谱、阴极发光及霍尔系数测量来表征。实验结果表明,沉积条件对金刚石膜电子性质和质量有重要影响。载流子迁移率随甲烷浓度增加而减少,但场发射随其增加而增强。压阻效应随微缺陷增多而降低。异质外延金刚石膜压阻因子在室温下100微形变时为1200,但含有大量缺陷的多晶金刚石膜压阻因子低于200,这是由于薄膜中缺陷态密度增加,并依赖于膜结构的变化。     

类金刚石薄膜中杂质Fe对其力学性能的影响

描述了利用射频等离子体溅射法采用不同阴极在衬底Ｓｉ片上形成类金刚石薄膜的杂质含量及杂质对厚度和硬度的影响分析与结果,比较了ＤＬＣ膜的力学性能在有无金属杂质情况下的异同,分析和计算了其硬度与硬度与制备参数间的关系,得出利用石墨作电极能制备出质量较好的ＤＬＣ膜,初步探讨在Ｓｉ衬底上沉积高硬度和强附着度类金刚石薄膜的有关工艺条件,并在理论上对这一结果进行了解释。     

膜厚对AZO∶Si薄膜性能的影响

近年来,Si基ZnO∶Al透明导电薄膜界面处Si的渗透对薄膜性能的影响引起了人们的关注。本文采用射频磁控溅射法,在石英和Si衬底上沉积了不同厚度的Al、Si弱掺杂(1wt.%)的ZnO薄膜(AZO∶Si),系统研究了膜厚(等价于Si的渗透深度)对薄膜电学、光学性质的影响。结果显示,膜厚在几十nm时,薄膜的电阻率、载流子浓度和迁移率都强烈地依赖于膜厚,在膜厚为19nm时,载流子浓度和迁移率接近最小,电阻率较大,且呈现p型导电特性。随着膜厚增加,载流子浓度和迁移率都变大,电阻率减小并趋于稳定,膜厚在396nm附近时电阻率最小是7×10-3Ωc#m,此时的载流子浓度和迁移率分别是1.54×1020cm-3和5.66cm2 V-1s-1。膜厚达300nm以上时,Si的影响已可忽略。结合薄膜的X射线衍射(XRD)图谱、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见光(UV-Vis)透射光谱探讨了膜厚(Si的渗透深度或过渡层厚度)对薄膜性能的影响及其相关机制。     

直流热阴极PCVD法间歇生长模式制备金刚石膜

采用直流热阴极PCVD(Plasma chemical vapor deposition)法间歇生长模式制备金刚石膜,通过加入周期性的刻蚀阶段清除金刚石膜在一定生长期中形成的石墨和非晶碳等杂质,实现了金刚石膜生长的质量调控。间歇式生长过程分为沉积阶段和刻蚀阶段,两个阶段交替进行。采用Raman光谱、SEM和XRD对所制金刚石膜的品质进行了表征,并与同样生长条件下连续生长模式制备的金刚石膜样品进行了比较。结果表明,当单个生长周期为30 min(沉积时间为20 min、刻蚀时间为10 min)时,直流热阴极PCVD法间歇生长模式制备的金刚石膜中的非金刚石相杂质含量低于连续间歇生长模式制备的金刚石膜。     

等离子体稳定性对曲面金刚石膜生长的影响

采用直流等离子体喷射化学气相沉积(DCPJCVD)制备曲面金刚石膜,等离子体稳定性对金刚石膜生长十分重要。研究表明,曲面金刚石膜长时间生长,阳极积聚石墨碳点,等离子体流动受阻失稳,金刚石膜含较多杂质。通过对阳极除碳处理,可维持稳定的等离子体、稳定的电子温度Te、均匀的活性原子及原子基团密度。制备的金刚石膜经SEM、Raman等表征,发现曲面金刚石膜致密、晶粒均匀,仅发现金刚石特征峰,制备的曲面金刚石膜质量较高。     

SiC在异质衬底生长金刚石膜的作用分析

利用扫描电子显微镜 (SEM)、Raman光谱分析了Si衬底上金刚石膜核化和生长的过程 ,并着重分析了核化过程产生的SiC的性能。利用划痕法测量了在WC衬底上沉积SiC和未沉积SiC时生长金刚石膜的粘附力 ,同时还分析了WC衬底上有和没有SiC沉积层时表面附近金刚石膜的内应力。结果表明 ,SiC层大大地增强了含碳粒子的聚集和金刚石膜与衬底之间的粘附性 ,降低了金刚石膜与衬底之间的内应力     

磁过滤阴极真空弧法制备类金刚石膜的场致发射特性研究

采用磁过滤阴极真空弧沉积法,在Cu基底表面上制备了以钛(Ti)和碳化碳(TiC)作为过滤层的类金刚石膜层。利用自制的场致发射特性测试设备,研究了类金刚石膜层的场致发射特性。利用拉曼光谱仪(Raman)和扫描电子显微镜(SEM)等分析方法对类金刚石膜的键合结构和微观形貌进行了表征。研究发现,利用磁过滤阴极真空弧沉积法可以在沉积温度100℃下制备膜基结合力较好的类金刚石膜。沉积速率为15 nm/min。类金刚石膜具有较好的场致发射特性,开启电压约为40 V/μm。Raman分析得到不同基底偏压下的类金刚石膜的I_D/I_G为1.19～1.57;SEM分析显示薄膜的微观结构上具有微米级突起结构。实验表明,应用磁过滤阴极真空弧方法可以制备出高sp~3含量、表面具有微米级突起的类金刚石膜,这种类金刚石膜具有有利于场致发射的特性。     

类金刚石薄膜光学特性的椭偏法研究

本文采用脉冲电弧离子镀的方法,在p型硅上沉积类金刚石薄膜,用椭偏法测试薄膜的光学常数.根据沉积方法的特点,建立一个四层结构的膜系,并由每一层的吸收情况合理选择色散关系;结合透过率的测试结果,利用光度法给测出薄膜折射率和厚度的估计值,作为椭偏法拟合的初值,拟合效果良好,得到薄膜的折射率、消光系数和几何厚度.     

PLD法制备ZnO/Si异质结的I-V特性研究

用脉冲激光沉积法分别在不同电阻率的p型和n型Si( 100)衬底上制备了不掺杂ZnO薄膜,相应制成n-ZnO/p-Si和n-ZnO/n-Si异质结器件.利用X射线衍射和原子力显微镜对ZnO薄膜进行的结构和形貌测试表明,薄膜结晶情况良好,具有高度的c轴择优取向,表面颗粒大小、分布均匀.对器件的I-V特性测试表明,在无光条件下,制备的n-ZnO/p-Si异质结漏电流很低,而n-ZnO/n-Si同型异质结漏电流要稍大一些;随衬底电阻率的增大,上述器件的阈值电压变小;器件在光照下的漏电流明显比无光条件下的要大.     

射频溅射工艺参数对AZO薄膜结构和性能的影响

采用射频磁控溅射法制备了掺铝氧化锌(AZO)薄膜,研究了衬底温度及溅射工作压强对沉积薄膜的晶体结构、表面形貌及电学性能的影响。结果显示,随衬底温度增加,薄膜的结晶结构发生显著变化,而溅射工作气压增加主要影响沉积薄膜(103)面与(002)面的相对强度。薄膜的表面形貌受温度影响严重,而气压对形貌的影响相对较小。衬底温度增加,薄膜的电阻率急剧降低,迁移率和载流子浓度都显著增加,而工作气压增加则导致电阻率先减小后增大。     

计算机模拟类金刚石薄膜的光学性能研究

采用射频等离子体化学气相法在BK7玻璃样品上合成了类金刚石薄膜，基于介电模型对样品的光学透射谱进行计算机拟合，得到类全刚石薄膜的折射率和膜厚等性能指标。研究了甲烷浓度，射频功率密度和沉积压力等工艺参数对类金刚石薄膜的光学特性影响规律。试验表明折射率和生长速率均随甲烷浓度和功率密度增加而增加；气体压力对生长速率的影响最显著。