FCVAD合成Ta_C薄膜的Raman和XPS分析

*国家 八六三 计划资助项目(863-715-008-0040);中国科学院物理研究所光物理开放实验室资助项目

收稿日期:2001 04 04

FCVAD 合成Ta C 薄膜的

Raman 和XPS 分析*

王广甫1,2) 刘玉龙3) 田人和2) 张荟星2)

(1)北京师范大学分析测试中心,2)北京师范大学低能核物理研究所:100875,北京;

3)中国科学院物理研究所光物理开放实验室,100080,北京//第一作者38岁,男,副研究员)

摘要 用磁过滤阴极真空弧沉积(F CV AD)方法在Si 衬底上合成了T a C 薄膜,Raman 光谱和

光电子能谱(XPS)分析表明衬底加80~100V 负偏压时合成的T a C 薄膜sp 3键所占比例最高,可达80%以上,并且在T a C 薄膜表面存在一sp 3键所占比例较低的薄层.

关键词 T a C 薄膜;过滤阴极真空弧沉积;沉积能量;sp 3键所占比例

分类号 T L 503

由于具有优良的物理和化学性能,金刚石一直为人们所高度重视.但天然金刚石产量很低,不能满足人们的需求,因此,人工合成金刚石一直是人们不懈追求的目标.在合成金刚石薄膜的研究中,人们发现了一种新型碳膜!!!非晶金刚石膜(amorphous diamond film)[1].这种薄膜具有非晶特性,没有长程有序结构.因这种薄膜中含有大量C !C 四面体键(sp 3键),所以也常被称为四面体非晶碳膜(tetrahedral amorphous carbon film ),简称Ta C.金刚石之所以具有许多优异的性能,主要是因为金刚石中碳原子是以sp 3键结合的,Ta C 薄膜中碳原子间以sp 3

键结合的比例较高,因此也具有许多接近金刚石的优异性能.

磁过滤阴极真空弧沉积(FCVAD)方法具有阴极材料离化率高、沉积离子能量可大范围调节、沉积温度低和沉积速率高等优点,特别适用于合成Ta C 薄膜[1].本文采用改进的FCVAD 沉积装置合成了T a C 薄膜,并利用Raman 光谱和光电子能谱(XPS)对不同沉积能量下合成的Ta C 薄膜中sp 3键所占比例进行了分析.1 Ta C 薄膜的合成

T a C 薄膜的合成是在改进的磁过滤脉冲阴极真空弧沉积装置[2]上进行的.衬底选用硅(100)单晶片,所有衬底都经过常规清洗,并在酒精和丙酮中煮沸后烘干备用.在合成薄膜前,在真空状态下,通过在衬底上加负3kV 的偏压,用磁过滤脉冲阴极真空弧沉积系统引出的碳离子束进行原位清洗,以保证衬底表面的新鲜和清洁.通常用10~15mA 碳离子束清洗5min.

溅射和沉积中,采用高纯石墨作为阴极,沉积靶室本底真空为0.4mPa.在薄膜合成过程中,衬底被固定在直径为100m m 的靶盘中央,靶盘距离磁过滤管道出口50mm.弧放电频率为12H z,靶上沉积碳离子平均电流保持在10~22mA,相应沉积速率为0.05~0.15nm ∀s -1.

2001年 10月

第37卷 第5期北京师范大学学报(自然科学版)Journal of Beijing Normal U niversity (N atural Science)Oct.2001V ol.37No.5

沉积碳离子束的能量可通过调节加在衬底上的负偏压来改变,并在沉积衬底负偏压分别为20,50,80,110,140,170和200V下合成了T a C薄膜.

2合成Ta C薄膜sp3键所占比例分析和讨论

2.1Ta C薄膜的Raman光谱分析对于不具有长程有序结构的非晶C薄膜来说,其Raman 光谱为一个很宽,且不对称的峰,峰位在1500~1560cm-1之间变化.为从Raman光谱中获得关于Ta C薄膜结构的信息,我们参照Stanishevsky的处理方法[3],用下面2个量来对Raman 光谱进行描述,并由此估计薄膜中sp3杂化键所占比例:

1)500和1550cm-1处Raman散射光强之比,R=I500/I1550.

2)D峰和G峰面积比为S D/S G.

图1是不同衬底偏压下合成Ta C薄膜的Raman散射光谱.分析是在中国科学院物理所SPEX1403Raman谱仪上进行的.激发源为功率40mW,波长514.5nm的氩离子激光器. Raman光谱中,524cm-1处尖峰是衬底Si的Raman散射峰.960cm-1处的窄峰是衬底Si的二次TO声子峰.扣除Si本底后,可求R=I500/I1550.

Stanishevsky[3]给出了R和薄膜中sp3杂化键所占比例的关系:

R=a1+a2

x

1+x

+a3x,

式中x是薄膜中sp3杂化键所占比例和薄膜中sp2杂化键所占比例之比.a1=0.26,a2=0.08, a3=0.08分别是代表以sp2杂化键、sp2 sp3混合键和sp3杂化键结合的C原子网络低频振动对500cm-1处Raman散射光强贡献大小的因数.根据上式,由Raman散射光谱计算出的R可求不同衬底偏压下合成T a C薄膜的sp3杂化键所占比例.

图2是衬底负偏压为80V合成T a C薄膜Raman散射光谱1100~1900cm-1范围内C 峰的解谱结果.解谱是用M icrocal Origin程序,用两个高斯函数进行拟合的.通过解谱,此宽峰可分解为1340cm-1附近的D峰和1570cm-1附近的G峰.表1给出了不同衬底负偏压合成T a C薄膜的R,S D/S G和由R计算出的sp3杂化键所占比例.从表1可以看出,除衬底负偏压为20eV一点外,S D/S G越高对应薄膜中sp3杂化键所占比例越高.

第5期王广甫等:F CV AD合成T a C薄膜的R aman和XPS分析609

表1 R 和S D /S G 随衬底偏压的变化情况

衬底偏压/V

205080110140170200R =I 500/I 1

5500.500.520.660.670.530.620.50S D /S G

0.200.170.190.210.140.180.10sp 3杂化键所占比例/%70718181727970

2.2 Ta C 薄膜的XPS 分析 XPS 分析是在北京师范大学测试中心的VG ESCALBMK #型电子能谱仪上进行的.图3是衬底偏压80V 时,合成的Ta C 薄膜的C1S XPS 能谱及解谱结果.图中虚线是在扣除本底后用3个高斯函数拟合的结果,3个峰分别位于284.85,285.80和286.85eV,对应于sp 2键,sp 3键和sp 3键的C 原子的 *峰.通过对不同衬底偏压下XPS 能谱进行解谱并比较284.85和285.80两个峰面积,可得到不同沉积能量下合成Ta C 薄膜中sp 3

键所占的比例,结果及其同Ram an 分析结果的比较见图

4.由图4可以看出,在衬底偏压高于80eV 后,2种方法所测结果的变化趋势是一致的.但XPS 测量得到的薄膜中sp 3

键所占比例明显比Raman 测量结果低.这是因为,XPS 是一种表面分析技术,其测量结果只反映薄膜表层的sp 3键所占比例;而Raman 光谱的测量结果反映的是整个薄膜中sp 3键所占比例.M ckenzie 等人[4]认为,在T a C 薄膜表面存在一个sp 3键所占比例较低的表层.上面我们对XPS 分析和Ram an 分析结果的比较同这一点是吻合的.另外,从图4还可以看到,随衬底偏压的增大,2种分析结果的差别增大.这说明,随衬底偏压增大,Ta C 薄膜表层sp 3键所占比例与薄膜内sp 3键所占比例差别增大.根据浅注入模型[5],随衬底偏压的升高,发生替位碰撞的截面增大,表面sp 3键所占比例降低;但此时薄膜内层所受压应力增大,合成薄膜内部的sp 3键所占比例升高.3 结论

1)衬底负偏压在80~100eV 范围内FCVAD 合成的T a C 薄膜sp 3键所占比例最高,可达80%以上.

2)FCVAD 方法合成的Ta C 薄膜表面存在sp 3键所占比例较低的一个表层,此表层同膜内sp 3键所占比例的差别随衬底偏压的升高而增大.

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