碳化硼薄膜的激光法制備及性能
本文采用KrF�(zhǔn)分子激光器，在Si，Ge光學(xué)襯底上制備了碳化硼薄膜，研究了不同激光能�、靶材與襯底距離、襯底負(fù)偏壓等條件對(duì)薄膜性能的影�。利用傅里葉變換紅外光譜儀(FT—IR)和納米壓痕儀，并依據(jù)光學(xué)薄膜�(cè)試的通用�(biāo)�(zhǔn)，對(duì)樣品的光�(xué)透過(guò)�、納米硬度及膜層與襯底的�(jié)合性能�(jìn)行了�(cè)試。結(jié)果表明：Si，Ge襯底單面鍍碳化硼薄膜后最高透過(guò)率提�1O 以上，納米硬度提高到未鍍膜的3倍以�，且膜層與襯底有較好的結(jié)合性能，表明制備的碳化硼薄膜可�(duì)光學(xué)材料起到較好的增透保�(hù)作用�
碳化硼具有高硬度、高熔點(diǎn)、高彈性模量等眾多的優(yōu)異性能，自1858年發(fā)�(xiàn)以來(lái)，在�(jī)�、電�、熱�(xué)、化�(xué)�(lǐng)域受到材料研究者越�(lái)越多的關(guān)�，可廣泛用于制作各種耐磨零件、熱電偶元件、高溫半�(dǎo)體等，但其在光學(xué)方面的應(yīng)用研究相�(duì)較少。碳化硼折射率約�2.2，而常用光�(xué)材料如Si( 一3.42)，Ge( 一4.0)折射率較大，在光�(xué)襯底上鍍制碳化硼薄膜有可能起到增透保�(hù)作用。采用粒子束沉積的碳化硼薄膜可將在紫外線范圍�(nèi)(67.O�121.6 rim)的垂直入射光的反射率提高3O 。碳化硼薄膜的制備方法研究較多的是化�(xué)氣相、沉積法和磁控濺射法。為了使碳化硼薄膜得到更廣泛的應(yīng)用，必須提高碳化硼薄膜與襯底的結(jié)合力，降低其�(yīng)力并提高薄膜的均勻致密��
�(guó)外開展了激光沉積法制備碳化硼薄膜的研究，如采用KrF激�(248 nm)和Nd：YAG四倍頻激�(266 nm)制備碳化硼膜，發(fā)�(xiàn)碳和硼原子比及結(jié)合狀�(tài)等都與激光通量密度有關(guān);在不同襯底溫�、襯底偏壓等條件下制備了碳化硼薄�，研究了薄膜的表面形�、碳和硼比例、吸收及硬度等特性，�(fā)�(xiàn)�(dāng)激光能量密度為5 J/cm �(shí)，薄膜硬度最�。硅和鍺是當(dāng)前最常用的紅外光�(xué)材料，本文采用激光沉積法在這兩種材料上制備了碳化硼薄膜，研究了不同激光能量、靶材與襯底距離、襯底負(fù)偏壓等對(duì)薄膜性能的影�，并�(duì)薄膜的光�(xué)透過(guò)率、硬度及與襯底的�(jié)合性能�(jìn)行了�(cè)試分��
1、碳化硼薄膜制備
該實(shí)�(yàn)采用Compex205型KrF�(zhǔn)分子激光器(波長(zhǎng)248 nlTl，脈�20 ns，重�(fù)頻率50 Hz，單脈沖能量小于850 mJ)，靶材由碳化硼粉末燒�(jié)而成，大小為+30 mm，將碳化硼粉末與石墨粉混合制�，并�(diào)節(jié)石墨粉的比例，可控制靶材中硼的含�，襯底選用P型Si和Ge，大小為$25.4 mm。襯底在放入真空室前先用金剛石粉懸液清洗形成微缺�，以提高薄膜與襯底的�(jié)合力，再用乙醇清洗去除表面有�(jī)�，烘干后立即放入真空�，同�(shí)為了�(jìn)一步提高薄膜的�(jié)合性能，在鍍膜前將襯底采用Ar 濺射清洗10 min。在室溫、真空度1O Pa條件�，分別在不同激光能�(200�800 mJ)、靶材與襯底距離(4�8 cm)和襯底負(fù)偏壓(0～一600 V)條件下鍍制了碳化硼薄�，采用Nicolet6700型傅里葉變換紅外光譜儀(FT—IR)�(duì)Si，Ge樣片的透過(guò)率�(jìn)行測(cè)�，采用Nano Indenter G2OO0型納米壓痕儀�(duì)樣品表面的納米硬度及彈性模量�(jìn)行測(cè)�，并依據(jù)光學(xué)薄膜�(cè)試的通用�(biāo)�(zhǔn)，對(duì)樣品的膜層與襯底�(jié)合性能�(jìn)行了�(cè)��
2、實(shí)�(yàn)�(jié)果與討論
在激光沉積薄膜過(guò)程中，激光的特性參�(shù)�(duì)薄膜的性能有較大的影響。激光波�(zhǎng)主要影響等離子體中離子的能量，激光功率密度則�(duì)離子能量及薄膜的生長(zhǎng)速度都有影響。在靶材與襯底距�4 cm的條件下，分別采�200�300�400�500�700�800 mJ激光能�，在Si襯底上制備了薄膜，經(jīng)紅外光譜儀�(cè)試發(fā)�(xiàn)，樣品的最高透過(guò)率隨著激光能量的增加而增�，但是在800 mJ條件下制備的樣品薄膜表面略有脫落，說(shuō)明此�(shí)薄膜的應(yīng)力較�，而且800 mJ�(shí)樣品的透過(guò)率也只比700 mJ�(shí)樣品的透過(guò)率大0.5 9/6左右，綜合考慮，認(rèn)為激光的最佳能量約�700 mJ。在此條件下，對(duì)靶材與襯底距離�(jìn)行優(yōu)�，發(fā)�(xiàn)靶材與襯底間的距離不是越小越�，也不是越大越好，而是存在一�(gè)最佳�，得到靶材與襯底的最佳距離為6 cm。襯底負(fù)偏壓是激光沉積法制備薄膜�(shí)一�(gè)重要的輔助手段，一般認(rèn)為負(fù)偏壓�(duì)薄膜性能的影響主要表�(xiàn)在兩�(gè)方面：一是負(fù)偏壓增強(qiáng)了等離子體對(duì)襯底的轟擊作�，凹坑微缺陷的產(chǎn)生增大了薄膜與襯底的接觸面積，增�(qiáng)了結(jié)合強(qiáng)�;二是�(fù)偏壓可改變等離子體中離子的動(dòng)能和薄膜的沉積速率，離子動(dòng)能的改變可能�(huì)�(duì)薄膜的結(jié)�(gòu)與性能�(chǎn)生影�。分別在襯底偏壓0，一200，一300，一400，一500，一600 V條件下在樣品上制備了碳化硼薄膜，�(fā)�(xiàn)在此�(shí)�(yàn)條件下襯底加�(fù)偏壓�(duì)薄膜的光�(xué)透過(guò)率幾乎無(wú)影響，這可能是�?yàn)楸驹O(shè)備所能提供的最高負(fù)偏壓一600 V不夠高，還不能對(duì)等離子體�(chǎn)生質(zhì)的改�。典型樣品的具體�(shí)�(yàn)參數(shù)及單面鍍膜后的峰值透過(guò)率見�1�
�1樣品的實(shí)�(yàn)參數(shù)
最佳條件下的單面鍍碳化硼薄膜的8i，Ge樣品及未鍍膜的Si，Ge襯底紅外透過(guò)率對(duì)比曲線如�1所�，測(cè)試結(jié)果表�，鍍碳化硼薄膜后si片和Ge片的最高透過(guò)率分別由53 �45 提高�65.8 �59.2 。另外Ge片上碳化硼薄膜看到了�10 gm左右有明顯吸�，si片鍍膜后10 m左右的吸收也有所增大，這與文獻(xiàn)E8]Si片上鍍膜后看到了B—c�(1085 cm )典型吸收的結(jié)果類��
�1 Si，Ge樣品的紅外透過(guò)率曲�
利用納米壓痕儀，采用連續(xù)剛度�(cè)量技�(shù)和最新的薄膜材料力學(xué)模型，對(duì)樣品表面的納米硬度及彈性模量�(jìn)行測(cè)�，保證測(cè)試結(jié)果在膜厚2O 之內(nèi)基本�(méi)有襯底效�(yīng)的影響，所有樣品分別�(jìn)�10�(gè)不同位置的壓痕測(cè)�，壓痕的間距至少保持在最大壓痕深度的30倍以防止壓痕�(yīng)力場(chǎng)的相互影�。測(cè)試發(fā)�(xiàn)，樣品的納米硬度大于33 GPa，而彈性模量大�387 GPa，而Si，Ge材料本身的納米硬度僅�10 GPa左右�
為了檢驗(yàn)?zāi)优c襯底材料的結(jié)合性能，依�(jù)光學(xué)薄膜�(cè)試的通用�(biāo)�(zhǔn)，用透明玻璃膠帶粘拉，膜層無(wú)脫落。在濃度�5.0 9/6的氯化鈉溶液�，常溫下浸泡24 h，膜層也�(wú)脫落，說(shuō)明膜層滿足光�(xué)薄膜的使用要�。同�(shí)，我們將樣品放在沸水中浸�24 h后，�(fā)�(xiàn)樣品表面的膜層完好無(wú)�，透過(guò)率測(cè)試也�(wú)明顯下降，說(shuō)明膜層的耐用性強(qiáng)。在前面研究了不同襯底偏壓條件下，膜層的光學(xué)透過(guò)率基本無(wú)變化，而在�(jié)合性能�(shí)�(yàn)中，�(fā)�(xiàn)隨著襯底�(fù)偏壓的增�，樣品膜層耐水煮時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，即相比較而言，在襯底�(fù)偏壓一600 V條件下制備的碳化硼薄膜與襯底的結(jié)合能力最�(qiáng)，說(shuō)明襯底負(fù)偏壓可以提高薄膜與襯底的�(jié)合力�
通過(guò)�(shí)�(yàn)�(jié)果可以看出，本方法制備的碳化硼薄膜對(duì)Si，Ge光學(xué)材料具有很好的增透作用，膜層硬度較高，同�(shí)與襯底結(jié)合性能好，可以作為光學(xué)材料很好的增透保�(hù)�。類金剛石膜具有寬光譜透光、高硬度、高熱導(dǎo)率和良好的穩(wěn)定性等�(yōu)�(diǎn)，其作用已經(jīng)得到了普遍的�(rèn)�(shí)和關(guān)�，但是由于其與某些光�(xué)材料，如硫化鋅等，存在著理化性能差異大等�(wèn)題，�(wú)法直接牢固地鍍制在這些光學(xué)材料�，利用碳化硼膜與類金剛石膜的�(fù)合膜系有望解決這一難題，而且碳化硼膜的熱�(wěn)定性更�(yōu)于類金剛石膜，所以其�(fù)合膜系也可擴(kuò)展類金剛石膜的應(yīng)用范��
3、結(jié) �
本文利用KrF�(zhǔn)分子激光器，采用激光沉積薄膜方法與工藝，在不同激光能�、靶材與襯底距離及襯底負(fù)偏壓條件�，在Si，Ge光學(xué)材料上制備了碳化硼薄�，研究了不同工藝條件�(duì)沉積薄膜性能的影響，并對(duì)薄膜的透過(guò)�、硬度及其與襯底的結(jié)合性能等�(jìn)行了�(cè)試。結(jié)果表�，si，Ge樣品鍍制碳化硼薄膜后透過(guò)率都有明顯提高，最高透過(guò)率分別由53 �45 上升�65.8 �59.2%，而其硬度也提高到未鍍膜時(shí)�3倍以�，依�(jù)光學(xué)薄膜的通用�(biāo)�(zhǔn)�(cè)試也表明膜層與襯底的�(jié)合性能較強(qiáng)，總體來(lái)�(shuō)本研究制備的碳化硼薄膜可以對(duì)光學(xué)材料起到較好的增透保�(hù)作用�