ICP-CVD制备a-CHON及光学性能分析
采用外置电感耦合等离子体化学气相沉积法，以高纯CH4/ N2/ CO2 /H2 作为反应气体，制备出非晶的a-CHON 薄膜。研究了放电功率对薄膜沉积速率、表面形貌及光学性能的影响。结果表明沉积速率随着放电功率的增加而增加，而非线性增加；原子力显微镜分析结果表明放电功率对薄膜粗糙度有较大的影响；红外光谱分析表明了薄膜内部存在C-O，C= O，CSN 以及C-H 键；紫外- 可见- 近红外光分析表明，薄膜的光学带隙随放电功率的增加而减小；薄膜折射率在可见光区的色散图表明，折射率随入射光频率的增加而减小，出现反常色散关系；而在同一波长下薄膜的折射率先随放电功率的增加而减小，而后又有所增加。
非晶碳氮薄膜(a-CNx)以及类金刚石(DLC)薄膜因具有许多优异的性能，如较高的硬度、低的摩擦系数、较高的折射率和热传导性以及优异的化学稳定性等，而引起人们的广泛关注，这些优异的性能使其在许多工业中有很大的应用价值。例如，利用其较高的硬度、低的摩擦系数、化学稳定性以及光学性能可以作为光学保护涂层和耐磨损材料。
为了进一步改善和发掘其潜在优异的性能，人们又对a-CNx 薄膜和DLC 薄膜实施了各种元素的掺杂，目前主要是针对掺O、N 的DLC 薄膜(a-CO:H 和a-CN:H) 和掺H 元素的a-CNx 薄膜(a-CN:H) 这两种体系进行了研究，同时还研究了沉积参数对薄膜化学键结构、光学和电学等其他性能的影响。但是,对于同时含有O、N 元素的a-C:H 薄膜(a-CHON) ，这种复合体系非晶薄膜的制备和光学性能的研究还未曾报道，单一掺N 元素可以改善a-CN:H薄膜的机械性以及室温电导率，而单一掺O 元素的a-CO:H薄膜随O 元素掺杂量的增加具有较低的介电常数，且提高了薄膜的表面质量。如果能同时掺杂O、N 元素可以综合改善会薄膜的生长质量、表面形貌、机械性能以及光电性能，通过调节合适的沉积参数，可以制备出我们预期想要某一性能的薄膜，而且对于O、N元素对薄膜的光学性能以及其他性能的影响机制还不清楚。因此，本文就着重研究了同时含有O、N元素的a-CHON 薄膜的合成与制备，以及相关沉积参数对薄膜生长、表面形和光学性能的影响。
本工作采用射频等离子体化学气相沉积(RFPECVD)方法制备a-CHON薄膜，其等离子体源为射频电感耦合，即ICP，这种等离子体源相比传统的电容耦合等离子(CCP) ，在放电区域有更高的等离子体密度，不仅提高了沉积速率，还缩短了实验周期时间。制备出的薄膜，通过膜厚的测量，原子力显微镜(AFM) 图谱测试，红外光谱以及紫外-可见-近红外测试结果，主要研究了放电功率，这一重要参数对薄膜成长、表面形貌、化学键结构以及光学性能的影响，同时利用透射光谱和吸光度的测试结果，分析了放电功率对薄膜的内部电子结构及能带的影响。
1、实验
1.1、薄膜的制备
采用外置式电感耦合RF-PECVD 进行a-CHON薄膜的制备，其设备如图1 示，其中电感线圈为中空铜管，并且通入冷却水，以防止在辉光放电时温度过高，射频源输出功率通过匹配器调节耦合到电感上,在一定真空度下通入气体，通过电感上的高频电场感应出高频磁场和电场，加速气体中电子与气体原子发生碰撞，从而电离气体原子，生成具有化学活性的等离子或粒子基团。反应气体为CH4、N2、CO2 和H2( 99.99% ) ，其中CH4 和CO2 作为碳源，而氮源为N2，控制插板阀，将工作沉积气压维持在10 Pa，CH4/N2/ CO2/ H2 气体流量比5B2B1B5，H2 气体流量为10 mL/min(标准状态) 。
图1 ICP- PECVD 装置示意图
薄膜衬底为Si(111) 和抛光石英玻璃片，在放入真空室内之前，先将Si 片和石英玻璃片分别在洗涤溶液-丙酮-四氯化碳-无水乙醇中，用超声波电源各超声清洗10 min，另外Si片还要在HF 溶液中腐蚀清洗1min，之后分别吹干Si 片和石英片，然后放入真空室中，采用分子泵和机械泵将真空室的真空度抽到2 × 10-3 Pa 以下。在辉光放电沉积薄膜之前,先单独通入10 mL/ min 的H2，气压保持3 Pa，输入功率100W，辉光放电10 min，对衬底进行离子刻蚀清洗，去除表面因暴露在大气环境中而吸附的氧或其他杂质，然后再通入反应气体开始沉积薄膜，放电功率参数设置为8 个，分别为50，80，100，110，130，150，180 和200 W，沉积温度为室温，沉积时间为3 h。待薄膜沉积完后，自然冷却，放掉真空，取出样品。
1.2、薄膜的表征
本实验采用台阶仪测试薄膜的厚度，再对比沉积时间得出沉积速率。采用AFM 进行观察a-CHON薄膜的表面形貌；利用美国PE 仪器公司生产的傅里叶变换红外光谱仪( FT-IR) 对薄膜进行红外光谱测试，观察其内部成键情况；薄膜的透射率和反射率是通过日本岛津公司生产的UV-3150 紫外、可见-近红外分光光度计来获得，并利用相关公式求出薄膜的光学带隙和吸收系数以及在550 nm 光波下薄膜的折射率。
结论
采用外置电感耦合RF-PECVD制备了a-CHON薄膜，探讨了成膜速率与放电功率之间的关系，结果发现沉积速率随放电功率的提高而增加；AFM 测试表明薄膜的表面粗糙度受放电功率有一定的影响,150 W 制备的薄膜表面较为粗糙；红外光谱测试表明O元素是以C-O或C=O掺入薄膜内部的；通过对a-CHON 薄膜光学性能测试，结果表明，薄膜在紫外光区有很高的吸收，而对可见光区和红外光区有较高的透射率；薄膜的吸收系数计算结果表明了不同放电功率制备的薄膜在入射光250~ 2400nm 范围内存在3个吸收区；Tauc公式计算结果表明，a-CHON薄膜的光学带隙随放电功率的增加而逐渐减小；不同功率下制备的薄膜，在可见光区的折射率随入射光频率的减小而增大，出现反常色散关系，而在某一波长(550 nm) 的折射率先随放电功率的增加而减小，而后又有所增加。
