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反应磁控溅射法制备的氟化类金刚石薄膜的结构和性能研究

江美福  
【摘要】:氢化的类金刚石薄膜具有高硬度、高热稳定性、高绝缘性等优异特性已被深入研究。如果将单价的氢换成单价的氟,则可能形成氟化类金刚石薄膜。由于氟是强电负性元素,氟化键具有低的极化率,可以降低介电常数,因而氟化类金刚石薄膜可以在微电子器件中用作低k 介质材料;另一方面氟化物具有疏水性、低摩擦系数,在作为材料保护层方面具有较好的应用前景。氟化类金刚石薄膜的结构如何,它是否会一方面保持类金刚石薄膜的优点,又会产生哪些新的特性是值得关注的。 本文采用反应磁控溅射法,用纯石墨作靶,添加含氟气体CHF3制备了氟化类金刚石薄膜(F-DLC)。通过Raman 光谱确认了薄膜的类金刚石特征,并研究了Raman光谱随制备薄膜时的工艺条件的演变。XRD 衍射结果显示了薄膜为非晶结构。利用SEM 照片分析和从Raman 光谱中D 峰和G 峰的强度比估算了薄膜中分子簇的大小并研究了工艺条件对其的影响。 反应磁控溅射法制备F-DLC 薄膜的的过程是一个较复杂的过程,包括靶的溅射、反应气体的离解、薄膜表面粒子的相互作用而连结成膜,还有空间氟原子对已沉积薄膜的刻蚀作用等。本文研究了主要宏观参量如工作气压、源气体流量比、射频输入功率等对薄膜沉积速率的影响。结果显示气压在0.5—6Pa,射频输入功率在60—320W范围,源气体流量比介于1:2---8:1 时,F-DLC 薄膜的沉积速率在0.8—3.5nm/min 之间。 测量了所沉积的氟化类金刚石薄膜的力学性质如硬度和弹性模量等,并探讨了工艺条件对这些力学特性的影响。有关测试结果给出了所制备的F-DLC 薄膜的纳米硬度在0.7—2.4GPa 之间,弹性模量在9—40GPa 范围内。 分析了氟化类金刚石薄膜的结构与制备工艺条件之间的关系。Raman 光谱分析表明,改变工艺条件可以很好地调制薄膜中的sp2与SP3的杂化比。 分析研究了氟化类金刚石薄膜的化学组成。薄膜的红外吸收光谱显示出本项目制备的F-DLC 薄膜中氢含量极低,或说是无氢薄膜。薄膜的主体结构为含氟芳香环


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