掺氮类金刚石薄膜的微观结构和光学特性研究

　　采用射频等离子增强化学气相沉积法(PECVD)制备掺氮类金刚石薄膜(DLC:N)，通过原子力显微镜,拉曼光谱和椭圆偏振光谱等对试验样品进行研究,实验结果表明，在薄膜中，氮元素主要以C=N 键的形式存在，起到了降低薄膜内应力，提高薄膜附着力的作用;此外，通过控制掺氮量可以制得折射率在1.85~1.6 范围内的DLC 薄膜。

　　DLC 薄膜是一种新型的功能薄膜材料，具有良好的热稳定性，抗腐蚀能力，高电阻和电绝缘强度，尤其是在红外频段具有极好的透射性和光学折射率，但制备过程中产生较大的内应力，膜与基体易分离，使得薄膜的厚度受到限制。

　　为了进一步提高类金刚石薄膜的实用性，很多研究人员尝试在薄膜中掺入不同元素来改变其性能，结果发现：掺硅可以提高薄膜的红外透过率;王进在薄膜中掺磷可以改善其血液相容性;Narayan等人的工作表明金属的掺杂可以使薄膜内应力有所降低，稳定性有所提高;Cohen等人发现氮的掺杂可以提高薄膜的附着力，从而达到提高膜厚的目的。这些发现对于类金刚石薄膜的应用都有着重要的意义。

　　在此基础上，本文采用RF- PECVD 法，希望通过改善类金刚石薄膜的内部结构而使其具有更优良的性能，通过原子力显微镜，拉曼光谱和椭圆偏振光谱对掺氮后薄膜的微观组成，结构特征和光学特性进行分析，深入讨论掺氮量对薄膜的影响。1、实验

　　本实验中，采用射频等离子增强化学气相沉积法，用13.56 MHz 射频电源进行供电，平行板电容耦合式放电系统，极板间距为40 mm, 给基片([001]单晶硅片)施加- 150 V 偏压。用CH4 作为碳源，混合Ar，保持CH4 和Ar 的流量为15 sccm 和85 sccm， 控制N2 的流量在0 sccm~100 sccm 之间，实现掺杂，系统的反应压力为1.3 Pa。实验通过原子力显微镜(本实验中采用俄罗斯Verp47 型AFM) 观察掺氮后薄膜的表面形貌特征;用拉曼光谱(采用Jy- HR800 型激光拉曼光谱仪)来表征薄膜的微观结构和组成特征;光学参数采用椭圆偏振仪(ELLI- B 型测试仪)测量谱线，通过数学拟合而确定。

2、结果与讨论

2.1、DLC：N 的原子力显微镜表面形貌表征

　　下图1 分别是DLC 薄膜和含氮量分别为3.5%，8.6%和12.7%的DLC 薄膜的AFM 图片。由图(a)可见，未掺氮的DLC 薄膜，由尺度为几百纳米的颗粒所组成，颗粒之间存在很多缝隙和孔洞;而掺氮后，薄膜表面颗粒大小明显减小，颗粒大小变得均匀，随着掺氮量的增加，突出的颗粒从几百纳米减小到几十纳米，并且颗粒密度逐渐增大。

　　从薄膜内部化学键的角度分析，类金刚石薄膜中一定量C- H 键的存在会使sp2 键和sp3 键发生畸变，整个网络处于限制太紧的状态，因而形成非常大的内应力;掺氮后，薄膜内部形成C- N键，C=N 键，这两种键合方式所引起的晶格畸变比C- H 键小很多，因此，氮的掺入降低了C- H 键的含量，起到了降低薄膜内应力，提高薄膜附着力的作用;此外，氮的掺入使得薄膜的表面粗糙度降低，这说明薄膜颗粒密度随掺氮量的增加而增加，并且更加细致均匀。而图中显示的非常大的突起，可能是由于薄膜表面的灰尘等杂质颗粒的影响。

3、结论

　　通过原子力显微镜、拉曼光谱和椭圆偏振光谱对DLC :N 薄膜的研究表明，氮原子在薄膜中主要以C=N 键和C- N 键的形式存在，氮的掺入使薄膜具有比碳氢原子组成的DLC 薄膜更高的稳定性和附着力，并且通过控制薄膜的掺氮量可以制得n=1.85~1.6 的薄膜。因此，DLC：N 薄膜是一种优良的，力学性质稳定的光学薄膜，具有非常广阔的发展前景。