采用RF- PECVD 法在鍺(Ge)基片上沉積類金剛石(DLC)薄膜，研究了氣體流量和氣壓對(duì)沉積區(qū)域均勻性的影響，以及基片厚度與沉積時(shí)間的關(guān)系。用拉曼光譜(Raman)分析DLC 膜的結(jié)構(gòu)組成，用傅立葉紅外光譜儀(IR)對(duì)DLC 膜的透過率進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明，在氣體流量為50 sccm，氣壓為10 Pa，功率800 W條件下薄膜厚度均勻性可達(dá)2.1%，極值透過率達(dá)62%。

　　隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，在紅外窗口材料上鍍制8 μm~12 μm 波段高性能紅外增透膜，從而提高紅外信號(hào)的透過率，提高紅外探測(cè)器的分析靈敏度，實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)和制導(dǎo)，是目前受到普遍關(guān)注的領(lǐng)域。鍺(Ge)是在8 μm~12 μm范圍內(nèi)最常用的窗口和透鏡材料，但容易被沙粒劃傷和被海水侵蝕。類金剛石膜(DLC)在8 μm~12 μm范圍內(nèi)具有與Ge 相匹配的折射率和很高的透過率，

　　且因其具有高硬度，耐摩擦，高絕緣，耐酸堿的能力，是Ge 透鏡的理想增透材料和保護(hù)膜層，因此在Ge 上鍍制均勻，性能良好的類金剛石膜非常重要。

　　射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)是目前最常用的DLC 膜沉積方法之一。該方法具有沉積溫度低、沉積面積大，沉積速率高，膜層質(zhì)量好,適于在介質(zhì)基片上沉積等優(yōu)點(diǎn)。它雖可用來制備光潔度高的光學(xué)級(jí)類金剛石薄膜，但對(duì)于大口徑零件來說存在膜層均勻性的問題，這是在國(guó)內(nèi)普遍存在的問題。為降低沉積過程中由于高能粒子對(duì)基底的轟擊引起基底溫度升高，從而對(duì)膜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，本文采用兩次沉積的方法完成DLC 膜的制備。以甲烷(CH4)為氣源，研究了氣體流量和氣壓對(duì)薄膜均勻性的影響以及基片厚度與沉積時(shí)間的關(guān)系。

1、實(shí)驗(yàn)

　　制備DLC 膜的裝置采用上下極板電容耦合的方式，上下極板直徑比為9/4，極板間距65 mm，激勵(lì)電源為頻率13.56 MHz，功率2 kW 的射頻源。基片大小Φ22×(1~3)mm，均為鏡面拋光的單晶Ge。

　　將用無水乙醇擦拭干凈的單晶基片放入下極板指定位置后，抽真空至小于1.5×10- 2 Pa，通入Ar 氣，保持氣體壓力3.3 Pa~4 Pa，功率200 W,清洗基片5 min。然后通入甲烷(CH4)，氣體流量40 sccm~50 sccm，工作壓力7 Pa~20 Pa，800 W 左右的功率下沉積15 min~20 min。然后關(guān)閉電源，冷卻10min 鐘后，取出鍺片，清理腔體。再次放入鍺片，抽真空至1.5×10- 2 Pa，用Ar 清洗2 min后，在相同條件下沉積15 min~20 min。

　　用英國(guó)Renishaw RM1000 型拉曼光譜儀(Raman) 對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析，用美國(guó)Nicolet6700 傅立葉紅外光譜儀(IR)對(duì)透過率進(jìn)行測(cè)量。

2、結(jié)果與討論

　　為研究甲烷流量和工作氣壓對(duì)不同半徑處DLC 膜厚度的影響，我們將4 個(gè)Φ22×2.5 mm的Ge 基片放在如表1 所示位置。表1 為4 個(gè)不同流量和氣壓條件下制備的樣品的均勻性結(jié)果，4 次試驗(yàn)中，都保持沉積功率為800 W，兩次沉積時(shí)間共30 min。可以看到，當(dāng)氣壓為20 Pa，氣流為40 sccm 時(shí)，DLC 膜非常不均勻，且中間薄邊緣厚。降低氣壓至10 Pa，均勻性為10%。再增加氣流至50 sccm，DLC 膜均勻性大幅提高，為2.1%。繼續(xù)降低氣壓至7 Pa，DLC 膜不均勻性有所增加，且為中間厚邊緣薄，此時(shí)薄膜的生長(zhǎng)速率也有較大下降。

表1 不同條件下制備的DLC 膜的均勻性

圖1 基片厚度與沉積時(shí)間的關(guān)系圖

　　相同實(shí)驗(yàn)條件下在不同厚度的Ge 基片上沉積DLC 膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，若要制備出相同光學(xué)厚度的DLC 膜，總共沉積時(shí)間有差異。圖1 為在功率為800 W,氣壓為10 Pa，氣體流量為50 sccm 的固定條件沉積光學(xué)厚度為2.35 mm 的DLC 膜時(shí)，基片厚度與總共沉積時(shí)間的關(guān)系圖。可以看到，當(dāng)基片較薄，所需沉積時(shí)間較長(zhǎng)，為39 min。隨著基片厚度的增加，沉積時(shí)間大幅減少。當(dāng)基片為2.5 mm厚時(shí)，沉積時(shí)間只需30 min。但隨著基片厚度的繼續(xù)增加，沉積時(shí)間又有所增長(zhǎng)。值得說明的是，1 mm~3 mm 厚的基片在下極板的各個(gè)徑向位置厚度均勻在5%以內(nèi)。

圖2 樣品的拉曼光譜

　　Raman 是分析DLC 膜結(jié)構(gòu)組成的最好方法，圖2 為Φ22×2.5 mm 的Ge 基上沉積30 min 的DLC 膜Raman 光譜圖。從圖2 可以看出，在1000 cm- 1~1800 cm- 1 范圍內(nèi)存在一個(gè)很強(qiáng)的非對(duì)稱寬峰，表明薄膜具有典型的DLC 薄膜的特征[8]。DLC 膜的拉曼光譜按高斯擬合成兩個(gè)峰，位于1536 cm- 1 附近的較強(qiáng)寬峰，對(duì)應(yīng)于G 峰;位于1342 cm- 1 附近的肩峰，對(duì)應(yīng)于D 峰。G 峰與鏈狀的C- C 鍵相關(guān)，表征鍵角發(fā)生畸變的非晶態(tài)，與單晶石墨的G 峰(位于1580 cm- 1)相比，該峰向低頻方向有移動(dòng)。寬化的D 峰源于碳膜內(nèi)含有畸變的四價(jià)雜化的sp3 鍵，且ID/IG 為0.70。通常認(rèn)為Raman 中G 峰位峰向低波數(shù)漂移且ID/IG 值較小的現(xiàn)象意味著薄膜中sp2 雜化碳減少，sp3 鍵數(shù)量增加。

圖3 樣品的實(shí)測(cè)透過率

　　圖3 為Φ22×2.5 mm的Ge 基上沉積30 min 的DLC 膜的透過率曲線。由于光的干涉作用，大大降低了樣品在參考波長(zhǎng)附近的反射損失，從而提高了紅外透過率。從圖可知，平均透過率在60%左右，極值透過率達(dá)62%。

3、結(jié)論

　　用RF- PECVD 法在Ge 單晶上成功鍍制了DLC 薄膜。甲烷流量和工作氣壓對(duì)薄膜的均勻性有很大影響，且沉積時(shí)間與基片厚度密切相關(guān)。DLC 膜的平均透過率為60%。目前我們已實(shí)現(xiàn)Φ180 mm 內(nèi)的Ge 基片上制備DLC 膜的小批量生產(chǎn)。