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1、2001年10月北京师范大学学报(自然科学版)Oct.2001第37卷第5期JournalofBeijingNormalUniversity(NaturalScience)Vol.37No.5FCVAD合成TaC薄膜的*Raman和XPS分析1,2)3)2)2)王广甫刘玉龙田人和张荟星(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(FCVAD)方法在Si衬底上合成了T
2、aC薄膜,Raman光谱和3光电子能谱(XPS)分析表明衬底加80~100V负偏压时合成的TaC薄膜sp键所占比例最高,可3达80%以上,并且在TaC薄膜表面存在一sp键所占比例较低的薄层.3关键词TaC薄膜;过滤阴极真空弧沉积;沉积能量;sp键所占比例分类号TL503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[1]膜的研究中,人们发现了一种新型碳膜!!!非晶金刚石膜(amorphousdiamondf
3、ilm).这种3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键),所以也常被称为四面体非晶碳膜(tetrahedralamorphouscarbonfilm),简称TaC.金刚石之所以具3有许多优异的性能,主要是因为金刚石中碳原子是以sp键结合的,TaC薄膜中碳原子间以3sp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[1]节、沉积温度低和沉积速率高等优点,特别适用于合成TaC薄膜.本文采用改进的F
4、CVAD沉积装置合成了TaC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3的TaC薄膜中sp键所占比例进行了分析.1TaC薄膜的合成[2]TaC薄膜的合成是在改进的磁过滤脉冲阴极真空弧沉积装置上进行的.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
5、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100mm的靶盘中央,靶盘距离磁过滤管道出口50mm.弧放电频率-1为12Hz,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.*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:20010404第5期王广甫等:FCVAD合成TaC薄膜的Raman和XPS分析609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
6、20,50,80,110,140,170和200V下合成了TaC薄膜.32合成TaC薄膜sp键所占比例分析和讨论2.1TaC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-1光谱为一个很宽,且不对称的峰,峰位在1500~1560cm之间变化.为从Raman光谱中获得[3]关于TaC薄膜结构的信息,我们参照Stanishevsky的处理方法,用下面2个量来对Raman3光谱进行描述,并由此估计薄膜中sp杂化键所占比例:-11)500和1550cm处Raman散射光强之比,R=I500/I15
7、50.2)D峰和G峰面积比为SD/SG.图1是不同衬底偏压下合成TaC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.-1-1Raman光谱中,524cm处尖峰是衬底Si的Raman散射峰.960cm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.[3]3Stanishevsky给出了R和薄膜中sp杂化键所占比例的关系:xR=a1+a2+a3x,1+x32式中x是薄膜中sp杂化键所占比例和薄膜中
8、sp杂化键所占比例之比.a1=0.26,a2=0.08,2233a3=0.08分别是代表以sp杂化键、spsp混合键和sp杂化键结合的C原子网络低频振动对-1500cm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3不同衬底偏压下合成Ta
