石英玻璃上生长表面光滑高光透射率的金刚石膜.pdf

石英玻璃上生长表面光滑高光透射率的金刚石膜 郝天亮!， 石成儒!韩高荣 （!# 浙江大学中心实验室； # 浙江大学材料系杭州$!%， ， $!%:1%*4%74(389 .-(: :4;:83(82: )? 5+(),5 =)523 (,5 (a28),2， 802 ,4a-2(8+), ), 802:2 :4;:83(82: 2,0(,a25bc,523 )=8+(- a),5+8+),: )? =32832(82,8 (,5 0)8 ?+-(2,8 a02+a(- d(=)3 52=):+8+), （e1fg） ， ,4a-2(8+), 52,:+8+2: 0+.023 80(, !%!%ah 232 );8(+,25bi ?)43j:82= .3)80 =3)a2: +, 0)8 ?+-(2,8 a02+a(- d(=)3 52=):+8+), ,802:+925b*02 )=8+a(- 83(,:+88(,a2 32(a025 opq l :83(82: (: .)5 (,5 80232 = ab ?0c adbe?cf .bh$ 2314* 条件 第一步 成核 第二步 原子态 氢刻蚀 第三步 生长 第四步 退火降温 12/浓度ij= !#- o / 每降低 ! q后 保持 ! 0 气体总流量 i88$-/ - 用 2?580 e#s 型扫描电子显微镜 （tu） 和 ,ce 85 *u,u 型光学显微镜观察样品表面形貌， v* 是 通过数 tu 照片上的颗粒而计算得出， tu 也用于 观察样品横断面， 以获得膜厚度值。横断面 tu 观 察前， 样品用镶嵌机镶嵌于高分子材料中， 沿横断面 抛光， 用低浓度氢氟酸腐蚀几秒钟。膜表面粗糙度 由 :c=888?580 +em/ 型紫外 （+4） e可见光 （4z） e近红外 （vzx） 谱仪 测量。用棉球擦刮法和胶带粘拉法检测膜与衬底间 的粘结性。 结果和讨论 (!表面预处理与成核密度 未经预处理的镜面抛光石英玻璃表面， 金刚石 成核很困难， v* 很低 （!-8$ -o !/8$ -） m 。在 un14* 和 2314* 法中， 相对于等离子体或热丝给 衬底加负偏压， 可以显著提高金刚石在镜面抛光未 经 处 理 的 硅 片 及 其 它 导 电 材 料 表 面 的 v* m， /， s， p， !， !- ， 但对电绝缘的石英玻璃， 其成核很不 均匀， v* 也不高， 约 !p8$ - /， 因此该方法不适用 于石英玻璃上金刚石膜的大面积均匀成核和生长。 在金刚石粉与溶剂形成的悬浊液中超声波预处 理， 能在多种衬底材料表面有效促进金刚石的成 核 (， p， r， !m o !# ， 但 在 石 英 玻 璃 上 v* 不 高（!p 8$ -） r 。我们发展了 *+ 预处理方法， 在石英玻 璃上 v* 达 m ) !8$ -且不磨损其非生长表面。 实验发现， 表面预处理和 2314* 成核参数对提高 v* 都非常重要。在最佳 2314* 成核条件下， 系统 地研究了 *+ 预处理参数对 v* 的影响， 详细结果 已另文报道 !( ， 这里只列出主要结果： （5） 在我们实验所用的金刚石粉粒度范围 （l# $o /$） 内， 金刚石粉平均颗粒直径越大， 则 v* 越高； （6） /$ 的金刚石粉 - $. 与 - $, 丙酮形 成的悬浊液中 *+ 预处理效果最好， 金刚石粉太少 或太多， 都显著降低 v*； （8） v* 随 *+ 预处理时间的增加而增大， ! 0 后达到饱和值； （9） 用丙酮、 乙醇和正己烷作载体液， v* 几乎相 同， 而用去离子水则 v* 值要小些。 总之， 石英玻璃表面 *+ 预处理对其上 2314* 金刚石的高密度成核是非常关键的， 最佳 *+ 预处 理和 14* 条件下， v* 比在原始石英玻璃上提高 （( o p） 个数量级， 成核的孕育期缩短到 # $=， - $= 生长就可获得连续、 表面光滑的金刚石膜。 (表面光滑金刚石膜的成核和生长 作为光学器件保护膜应用的金刚石膜必须要有 高的光透射率， 确保不影响光学器件的光透射性。 /p- 真空科学与技术学报第 -/ 卷 万方数据 金刚石膜的光透射性主要由膜本身对光的吸收及光 在膜表面、 晶界和膜!衬界面上的散射决定。金刚石 膜的光吸收由晶格不完整性和膜中杂质如非金刚石 碳、 氢、 氮等引起， 可通过调整 #$ 生长参数和工艺 加以改善。光散射损失主要由膜表面粗糙度决定。 不同波长的光在膜表面的散射系数正比于 （! %）8?88- 0;*=- -a):8;0=- 8-b008b ;- ./)=-)8-9;0=- 0- 78 -a):8;8 b8cb （-a):8;0=- d=9 0=-， -a):8;0=- ） %( *0- 生长 4051%fa9d;)8 *=9c7=:=508b =d 0;*=- n =c） %( *0- 59=?7 a-! 89 (1,23./)=-)8-） 为横断面观察， 其中字母 4 所在的亮条为金刚石膜的横断面， 其右 侧的暗区为真空空间。字母 . 所在的暗区和字母 f 所在的灰区分别为石英玻璃衬底被氢氟酸轻度腐蚀 区和未腐蚀区。低浓度氢氟酸对石英衬底靠近金刚 石膜的界面区腐蚀作用较快， 经几秒钟腐蚀， 界面区 已被轻度腐蚀， fpq 观察时形成暗区， 因而将同为绝 缘体的石英玻璃和金刚石膜区分开来。由图 2 的膜 表面和横断面照片可以看出， 金刚石膜连续、 致密， 晶粒大小为 +-*6, ?,;8 #$!%,78-7+6, :68 ) *+,a （-） 9?8:-; *68b 456=61c；（.） 8699 9;7+6,（/ +9 75; 8699 9;7+6, 6: 75; +-*6, 75+, :+=*； -, 0 -8; 75; 9=+157=c ;75; 4-87 -, ,6,b;75; 4-87 6: 75; d?-87e 1=-99 9?.978-7;， 8;94;b 7+f;=c） 于 ! ,* 时， 膜中内禀应力尚未导致膜开裂。经 ( *+, 生长， 膜厚度增加， 膜中内禀应力也增大， 即便 通过第四步的降温退火过程， 金刚石膜仍将开裂。 降低生长温度可使无裂纹的膜的厚度增大， 但低温 下， 膜中非金刚石碳含量将明显增加， 又必须设法提 高膜质量， 进一步的研究工作正在进行中。 每一个样品表面粗糙度测量时， 在不同的点沿 不同的方向测量 ) 次， 粗糙度值为 ) 次测量结果 的平均。石英玻璃衬底在 gh0 预处理前后和金刚 石膜表面粗糙度分别为 ! ,*、 ( ,* 和 i ,*。图 ( （-） 、（.） 、（） 分别为石英玻璃衬底在 gh0 预处理前 后和金刚石膜表面粗糙度最接近平均值的一次测量 结果图， 图中纵坐标为台阶仪探针的纵向起伏 （单位 为 j ,*） ， 横坐标为探针的横向扫描位置。测量 时设定探针横向扫描范围为 (!*。台阶仪给出 对应图 ( （-） 、（.） 、（） 的样品的表面粗糙度分别为 )#$ ,*、 (#$ ,* 和 k#$ ,*。粗糙度测量结果表明， 经 gh0 预处理后， 衬底表面粗糙度略有增大， 这与下面 将要讨论的 023 观察和光透射测量结果相一致。 金刚石薄膜表面粗糙度小于 j ,*， 说明膜表面是 非常光滑的。 图 $ 为经 ) *+, 生长的金刚石膜的高分辨 l-b *-, 谱。金刚石和石墨位于 j!) *m j和 j$n *m j 的特征峰 jn 可清晰看到， 膜中非金刚石成分主要为 !)杂化的无定形石墨。 因为金刚石的l-*-,散射 图 ( 石英玻璃和金刚石薄膜表面粗糙度 # 测量图 （-） 原始石英玻璃；（.） gh0 预处理过的石英玻璃； （） #$!% 486:+=;9 6: d?-87e 1=-99 -, +-*6, 75+, :+=* （-）f+81+, d?-87e 1=-99；（.） d?-87e 1=-99 48;78;-7; .c gh0 *;756；（） +-*6, ?,;8 #$!% ,78-7+6, :68 ) *+, 图 $ #$!%96=?7+6, l-*-, 94;78?* 6: +-*6, ?,;8 #$!%,78-7+6, :68 ) *+, 强度是 !)杂化碳的 jo$ jk ， 因而膜中主要为金刚 石成分。l-*-, 谱中无定形石墨峰的存在是由于： （-） 成核阶段高的 76。在 )/ 第 5 期郝天亮等： 石英玻璃上生长表面光滑高光透射率的金刚石膜 万方数据 膜!衬之间高的结合强度一方面是由于 #$ 预 处理在衬底表面产生纳米级的损伤和纳米金刚石颗 粒， 如图 % 所示， 增大了膜!衬之间物理和化学键合 的有效面积， 将膜 “钉扎” 在衬底上； 另一方面， 采用 四步法生长工艺， 可调整膜中 !73 8?: ?d! 9:;9= 7:=9:=;9=e c?:g 85b= .*!/）;fe =98f=- i;f8!:g9;cc5f= e5;/8fe ;e8:d=e 8f 93= ?: f89=e dg c=99=: - !结论 石英玻璃上金刚石的成核由表面预处理和 j4kl参数共同决定。我们发展的在金刚石粉与 丙酮形成的悬浊液中超声波预处理方法， 能有效促 进金刚石在石英玻璃上的成核， 同时该预处理方法 还具有简单、 经济、 对生长面损伤很小和不磨损非生 长面等优点。最佳的预处理和 j4kl 条件下， 成核 密度可达m n */o /;f 谱、 st 谱、 ist!ls$!#l 谱和 $+, 测 量工作上给予的大量帮助。 参考文献 uf1 v w， k3;f1 t w j-x77c w3g 2=99， )()， 00： /8fe ;fe t=c;9=e ,;9=:5;c， )m， f9;f8 k ， c?3= w #$ %f1 v ， ;f1 t #$ %/8fe ;fe t=c;9=e ,;! 9=:5;c v l， $3/g:g=; x i-5;/8fe ;fe t=c;9=e ,;9=:;c， f8; , 2， t85 ,， $=; l-5;/8fe ;fe t=c;9=e ,;9=:5! ;c， )%， y： . )x:51;c ， j8 2=99， )， 0(： *my ff t， $8d53 a， ?c53 z #$ %/8fe ;fe t=c;9! =e ,;9=:5;c， ).， m： 000 mj51?35 -5;/8fe ;fe t=c;9=e ,;9=:5;c， )_;9; $， i;1;/898 j #$ %:_ a $， a;5_ -5;/8fe ;fe t=c;9=e ,;9=:5;c， )%， y： %y yj;8 v5;fc5;f1， $35 k3=f1:?- 5;/8fe ;fe t=c;9=e ,;9=:5;c， 3/;f/ w ， z5=3=:9 #- 5;/8fe ;fe t=c;9=e ,;9=:5! ;c， ):8 , s， l;fe=fd?c_= 2， k35f_g 2 #$ %/8fe ;fe t=c;9=e ,;9=:5;c， =9 , 4 #$ %/8fe ;fe t=c;9=e ,;9=:5;c， )m， 8 v5;fc5;f1， $35 k3=f1:?， b=f1 ?=h?-$?:;= ;fe k8;95f1 v=3f8c81g， 浙江大学材料系,杭州,310028)， 石成儒(浙江大学中心实验 室)， 韩高荣(浙江大学材料系,杭州,310028) 刊名： 真空科学与技术学报 英文刊名：journal of vacuum science and technology 年，卷(期)：2004,24(4) 参考文献(20条)参考文献(20条) 1.ong t p;chang r p h 查看详情 1989 2.erz r;dotter w;jung k 查看详情 1993 3.lin g l;juh tzeng lue;chen c l 查看详情 1997 4.irwin m d;pantano c g;gluche p 查看详情 1997 5.lee j s;liu k s;lin i n preparation and properties of y2o3-doped zro2 thin films by the sol-gel process外文期刊 1997(19) 6.chen l c;wang t y;yang j r 查看详情 2000 7.semikina t v;shmyryeva a n 查看详情 2002 8.terranova m l;rossi m;sessa v 查看详情 1997 9.arigal y;hoffman a 查看详情 1999 10.shi c r;pang g f;shi y 查看详情 1994 11.yugo s;kimura t;muto t 查看详情 1991 12.beckmann r;sobisch b;kulisch w 查看详情 1994 13.higuchi k 查看详情 1992 14.okubo t;nakata s;nagamoto h 查看详情外文期刊 1993 15.park b s;baik y j 查看详情 1997 16.hao tianliang;shi chengru 查看详情 2004 17.bachmanm p k;wiechert d u 查看详情 1992 18.barros m i;vandenbulcke l;chinsky l 查看详情 2001 19.gicquel a;anger e;ravet m f 查看详情 1993 20.hao tianliang;shi chengru;zeng yuewu 查看详情 2004 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条) 1. 钟读敏 显微镜镜头霉斑的产