沉积角度对激光沉积类金刚石膜的影响

　　在光学级双面抛光硅衬底上，采用准分子KrF 激光，保持激光单脉冲能量700 mJ 和激光功率密度8.27 × 10⁸W/cm²不变，通过倾斜衬底的方法，在沉积角度(等离子体中粒子的飞行方向与衬底表面法线的夹角) 分别为0°，20°和40°三种条件下沉积出三个类金刚石(DLC) 膜样品。测试分析了不同沉积角度下DLC 膜样品的红外透过率、纳米硬度、弹性模量及拉曼光谱。发现沉积角度从0°增加到40°的过程中，沉积角度越大，DLC 膜的透过率越低，光学吸收越大，纳米硬度和弹性模量也越小，拉曼光谱的分峰结果中D峰与G峰的积分强度比ID/IG逐渐变大，G 峰半高宽变小，说明膜中金刚石相( sp3 键) 含量逐渐减小。利用“浅注入”理论分析了沉积角度对DLC 膜性能的影响机理，从而揭示了激光沉积大面积平面及球面DLC 膜时衬底不同位置DLC 膜性能不一致的机理。

　　类金刚石( DLC) 膜同时具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、高耐腐蚀性、高绝缘性、高导热性和光学透明性等优良特性，因此在力学、光学、电学、热学等领域广为应用。在制备DLC 膜的各种方法中，脉冲激光沉积法越来越受到重视，这是因为该方法具有无氢、碳离子动能高、易于掺杂等特点。当激光沉积DLC 薄膜时，对于大面积平面衬底和球面衬底，经常会遇到衬底不同位置沉积出的薄膜性能不一致的问题。衬底的不同位置，与靶材的距离不同，沉积角度也不同。到底是与靶材的距离影响了DLC 膜的性能，还是沉积角度( 等离子体中粒子的飞行方向与衬底表面法线的夹角) 影响了性能? 其中的原因一直缺乏深入的研究。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为与电子束沉积等装置相比，激光沉积薄膜装置中的靶材与衬底距离更近，因此对于衬底不同位置，沉积角度具有更大的差异，更需要加强沉积角度对薄膜性能影响的研究。这对于DLC 膜的工业应用更为重要。本文通过倾斜衬底而不是移动或倾斜靶材来改变沉积角度，因此等离子体的动能和分布不受影响。

1、实验

　　实验在自研的多功能真空装置中进行。沉积时真空度为1.2 × 10 ^-3 Pa。采用KrF 准分子激光器，激光波长248 nm，脉宽20 ns，重复频率50 Hz。采用焦距为0. 5 m 的凸透镜，将激光聚焦入射到靶材上，入射角为45°。靶材上光斑面积为0.0423 cm²，激光能量为700 mJ 时靶材上激光功率密度为8.27× 10⁸ W/cm²。为了避免靶材粗糙化和等离子体偏斜，采用激光在旋转的靶材上扫描的技术。

　　衬底采用Φ25.4 mm × 3 mm 的光学级双面抛光硅衬底。靶材中心与衬底中心的间距始终为11cm 不变。沉积之前，用氩离子溅射清洗硅衬底。采用了一个特制的衬底台，它可以沿一条水平轴旋转，从而改变沉积角。沉积角定义为衬底表面法线与碳离子飞行方向( 等离子体中轴线) 的夹角。沉积时衬底不运动。无论在哪种沉积角度下，衬底中心都始终位于等离子体中轴线上。1 #样品的沉积角是0°，激光脉冲数是12 × 10⁴ 个；2 #样品的沉积角是20°，激光脉冲数是16.5 × 10⁴个；3#样品的沉积角是40°，激光脉冲数是20 × 10⁴个。因为3#样品的沉积速率最低，因此激光脉冲数最多，沉积时间最长，以保证三个样品薄膜厚度接近。根据红外透过光谱计算出DLC 膜物理厚度为0.925 μm，采用TFC光学膜系设计软件拟合，得出DLC 膜折射率约为2.6，物理厚度约为0.356 μm。图1 是三个样品沉积角度的示意图。

图1 三个样品的沉积角度示意图

3、结论

　　采用脉冲激光沉积法，分别在0°，20°和40°的沉积角度下制备了系列DLC 膜。测量了薄膜的红外透过率、纳米硬度、拉曼光谱，研究了它们与沉积角度的关系。发现随着沉积角度的减小，DLC 膜的消光系数减小，纳米硬度增加，sp3 键含量增加。应用“浅注入”理论解释了其机理，实验结果与理论分析一致。说明在激光沉积DLC 膜过程中，应该注重减小沉积角度，可采用加大靶材与衬底距离等措施来减小沉积角度。