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第４４卷第６期２００７年１１月Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．６Ｎｏｖ．２００７真空ＶＡＣＵＵＭ收稿日期：２００６－１１－０８作者简介：赵之明（１９７９），男，安徽省肥西县人，硕士。
联系人：李合琴，教授。
＊基金项目：安徽省自然科学基金（０３０４４７０３）资助。
类金刚石薄膜的制备及其电阻率、光谱特性研究＊赵之明，李合琴，顾金宝（合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥２３０００９）摘要：采用射频磁控溅射法在单晶硅表面制备了类金刚石薄膜；对薄膜的电阻率进行了测量，研究了薄膜的溅射工艺参数，采用拉曼光谱、原子力显微镜、扫描电镜分析了薄膜的结构、表面形貌以及薄膜的截面形貌。
结果表明，薄膜中含有ｓｐ２、ｓｐ３杂化碳原子，拉曼谱高斯拟合峰的ＩＤ／ＩＧ为３．６７；薄膜的电阻率达６×１０３Ωｃｍ。
最佳溅射气压在０．４Ｐａ左右，最佳溅射功率在１４０Ｗ左右；薄膜的表面平整光滑，平均粗糙度低达０．１７ｎｍ；ＳＥＭ形貌表明薄膜由大量大小均匀的碳颗粒组成，薄膜内部十分致密，与基底结合很好。
关键词：类金刚石薄膜；电阻率；射频磁控溅射；拉曼光谱中图分类号：ＴＢ４３文献标识码：Ａ文章编号：１００２－０３２２（２００７）０６－００４８－０４Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ，ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆＤＬＣｔｈｉｎｆｉｌｍｓＺＨＡＯＺｈｉ－ｍｉｎｇ，ＬＩＨｅ－ｑｉｎ，ＧＵＪｉｎ－ｂａｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＲａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＲＦ）ｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅｐｏｓｉｔｄｉａｍｏｎｄｌｉｋｅｃａｒｂｏｎ（ＤＬＣ）ｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｎＳｉｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，ｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅｆａｖｏｒａｂｌｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｕｒｆａｃｅａｎｄｓｅｃｔｉｏｎａｌｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｉｎｆｉｌｍｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｗｉｔｈＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＡＦＭａｎｄＳＥＭ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｉｌｍｓｈａｖｅｓｐ２ａｎｄｓｐ３ｂｏｎｄｓ，ａｎｄａｃａｌｃｕｌａｔｅｄＩＤ／ＩＧｖａｌｕｅ３．６７ｏｆｔｈｅｐｅａｋｓｏｆｆｉｔｔｉｎｇＧａｕｓｓｉａｎｃｕｒｖｅｓｆｏｒＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｕｍｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｂｅｓｔｗｏｒｋｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｐｏｗｅｒａｒｅａｂｏｕｔ０．４Ｐａａｎｄ１４０Ｗ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｆｉｌｍｓｃｏｍｅｓｕｐｔｏ６×１０３Ω・ｃｍ．Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｆｉｌｍｓｉｓｆｌａｔａｎｄｓｍｏｏｔｈａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｆｉｌｍｓｉｓ０．１７ｎｍ．ＴｈｅＳＥＭｉｍａｇｅｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｉｌｍｓｉｓｃｏｍｐａｃｔａｎｄｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｍａｎｙｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｃａｒｂｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄｂｉｎｄｉｎｇｗｅｌｌｗｉｔｈｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉａｍｏｎｄ－ｌｉｋｅｃａｒｂｏｎ（ＤＬＣ）ｔｈｉｎｆｉｌｍｓ；ＲＦ－ｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ；ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ；Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒｕｍ随着人们对类金刚石（ＤＬＣ）膜的力学、光学、电学等方便优异性能研究的深入。
我国类金刚石薄膜主要制备技术及研究现状摘要类金刚石薄膜具有优良的光学、机械和电特性在军事领域有广泛用途，类金刚石薄膜技术，是指利用各种光学薄膜制作技术制作接近天然金刚石和人造单晶金刚石特性（如在较宽光谱内均具有很高的光透过率在2～15μm（微米）范围光的吸收率低到1％；具有很高的硬度、良好的导热性、耐腐蚀性以及化学稳定性高(1000℃以上仍保持其化学稳定性等）的人造多晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜（又称为硬碳膜、离子碳膜、或透明碳膜）的一种技术。
由于类金刚石结构、性能存在一些缺陷，所以对此作了研究。
本文着重对类金刚石薄膜制备技术进行阐述，同时论述了发展潜力。
由于类金刚石薄膜的优越性，所以我国要加大这方面发展。
关键词：类金刚石薄膜，化学气相沉积法，物理沉积法，金刚石The Main Preparation Techniques and Research Status of theDLC Film in ChinaABSTRACTDLC films with excellent optical, mechanical and electrical characteristics ha ve a wide range of applications in the military field. DLC thin film technology, refers to the use of a variety of optical thin film production technology made close to the natural diamond and synthetic single crystal diamond characteristics (such as with high light transmittance in the wide spectrum-in the range of 2~15μm (microns) low absorption of light to 1%; has high hardness and good thermal conductivity, corrosion resistance and high chemical stability -1000°C (degrees Celsius) above maintained its chemical stability, etc.), artificial polycrystalline diamond films DLC films (also known as the hard carbon film,ion carbon film ,or a transparent carbon film), a technology. DLC structure, the performance has some shortcomings,have been investigated. Focus on the DLC film preparation technique is described,and discusses the potential for development. Because of the superiority the DLC films, so china should step up development in this field.KEY WORDS: DLC film，preparation techniques，CVD目录前言 (1)第1章类金刚石薄膜概述 (2)1.1 类金刚石薄膜介绍 (2)1.1.1类金刚石薄膜发展介绍 (3)1.1.2类金刚石薄膜微观结构与其性质 (3)1.1.3类金刚石薄膜分类 (5)第2章类金刚石薄膜制备技术 (6)2.1 化学气相沉积法 (6)2.1.1 热丝CVD法 (6)2.1.2 等离子体CVD法 (7)2.1.3 离子束蒸镀法 (7)2.1.4 光、激光CVD法 (7)2.2 激光法制备DLC膜的发展趋势 (8)2.2.1 激光脉冲宽度由纳秒脉冲向超短脉冲发展 (9)2.2.2 沉积环境由真空向氢气氛或氧气氛发展 (10)2.2.3 薄膜成分由纯DLC膜向掺杂DLC膜发展 (11)2.2.4 激光源由单一激光向多束激光发展 (11)第3章类金刚石薄膜研究 (12)3.1 实验研究 (12)3.1.1 实验装置 (13)3.1.2 实验过程 (15)3.1.3 实验结论 (15)第4章类金刚石薄膜应用以及展望 (16)4.1 类金刚石薄膜应用 (16)4.2 类金刚石薄膜应用展望.................... 1错误！未定义书签。
类金刚石（DLC）多层薄膜残余应力调控及其机械性能研究类金刚石(DLC)薄膜由于具有高硬度和弹性模量、低摩擦系数、优异的耐磨损性和耐腐蚀性等优异性能,而成为具有广泛应用前景的保护膜及耐磨材料。
多年的研究发现DLC薄膜中存在很大的残余应力,降低了薄膜与钛合金基体的结合强度,导致DLC薄膜在使用过程中的早期失效,限制了它的工业应用。
多层薄膜是由不同材料相互交替沉积而成的组分或结构交替变化的薄膜材料,由于它具有大量的界面,通常会增加材料的韧性,阻碍裂纹的扩展,与相应的单层薄膜相比,多层薄膜的残余应力较低,且耐磨性能及耐蚀性能好,具有广泛的应用前景。
因此,基于DLC薄膜急需解决的问题和实际应用的需要,设计了软硬交替DLC多层薄膜体系,其中软层将起到剪切带的作用,以缓解膜层中的内应力和界面应力。
本文采用磁过滤阴极真空弧源(FCVA)沉积技术在Ti6A14V合金及Si(100)表面制备了一系列不同调制参数的软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC多层薄膜,以减小或控制DLC薄膜中的残余应力、提高硬度和增强钛合金的摩擦学性能。
本文系统研究了调制周期和调制比对软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC多层薄膜的形貌、残余应力、成分、结构、机械性能和摩擦学性能的影响。
同时采用有限元软件(Ansys)对软硬交替DLC多层薄膜的残余应力进行了模拟。
为使基体与膜层之间形成良好的过渡,进一步增强膜基结合力,本文还研究了Ti/TiC梯度过渡层对DLC多层薄膜性能的影响。
全文主要结果如下：(1)采用FCVA技术在钛合金表面成功的制备出了结构致密、低残余应力、高硬度和优异耐磨性能的软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC 多层薄膜。
(2)使用FCVA技术制备的软硬交替DLC多层薄膜,在调制周期固定为140nm时,薄膜中sp3键的含量随调制比(硬DLC膜层与软DLC膜层厚度之比)的增大而增加；在调制比固定为1：1时,sp3键的含量随调制周期的减小而减小。
类金刚石薄膜结构的研究
周勇
【期刊名称】《长春师范学院学报》
【年(卷),期】1997(000)005
【摘要】利用激光Raman光谱和X射线衍射结构分析方法,对类金刚石薄膜结构中的SP~1、SP~2和SP~3三种成键组态进行了较详尽的研究,指明了出现的结构异常现象,并分析和讨论了影响类金刚石薄膜结构的主要因素。
【总页数】3页(P8-10)
【作者】周勇
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】O613.7
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1.阴极真空弧源沉积氟化类金刚石薄膜的结构与性能研究 [J], 姚志强;杨萍;孙鸿;王进;冷永祥;陈俊英;黄楠
2.类金刚石薄膜制备及其结构和抗凝血研究 [J], 刘毅;林晓东;张磊;张麟;陈弟虎;潘仕荣
3.掺氮类金刚石薄膜的显微结构和光谱学研究 [J], 李合琴;何晓雄;王淑占;巫邵波;赵之明
4.射频等离子体增强化学气相沉积类金刚石薄膜的结构及摩擦学性能研究 [J], 杨莉;付亚波;陈强
5.掺杂类金刚石薄膜微观结构和摩擦学性能的研究进展 [J], 汪科良;周晖;张凯锋;贵宾华;蒋钊;张延帅;刘兴光;郑玉刚
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《Si系列双元掺杂DLC薄膜在不同温度下结构及摩擦学性能研究》篇一一、引言近年来，双层碳材料在摩擦学、润滑以及机械防护等领域的应用引起了广泛的关注。
在众多双层碳材料中，掺杂的类金刚石碳（DLC）薄膜因其出色的机械、光学以及电学性能被广泛应用于纳米科技、表面涂层等领域。
尤其当涉及高温工作环境时，掺杂了硅元素的DLC薄膜因其在高温下仍然能够保持优异的物理和化学稳定性而备受关注。
本研究着重于Si系列双元掺杂DLC薄膜在不同温度下的结构与摩擦学性能的探索，以便于了解其在复杂温度条件下的行为特点与性能变化。
二、材料与方法1. 材料制备本实验采用Si系列双元掺杂DLC薄膜，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术制备。
通过调整掺杂元素的比例和浓度，制备出不同种类的薄膜样品。
2. 实验方法（1）使用X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析薄膜的结构特性；（2）通过摩擦磨损试验机在不同温度下测试薄膜的摩擦学性能；（3）利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察薄膜的表面形貌和粗糙度变化；（4）利用热分析技术如差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）研究薄膜的热稳定性。
三、结果与讨论1. 结构特性通过XRD和拉曼光谱的分析发现，随着掺杂元素的增加，薄膜的结晶度和无序度会有所改变。
双元掺杂后，可以观察到更加复杂但更稳定的多层碳硅结构的形成，增强了材料的耐热性和抗腐蚀性。
在较低的温度下，薄膜中的硅元素以单质形式存在，随着温度的升高，部分硅元素与其他碳原子结合形成更加稳定的碳硅化合物。
2. 摩擦学性能在不同温度下进行摩擦学性能测试发现，Si系列双元掺杂DLC薄膜在高温环境下仍能保持良好的摩擦学性能。
在低温环境下，薄膜的摩擦系数较低，但随着温度的升高，由于薄膜中碳硅化合物的形成和表面润滑层的生成，摩擦系数有所增加但仍然保持在一个较低的水平。
此外，由于薄膜的硬度较高和抗磨损性良好，使得其在使用过程中具有较长的使用寿命。
《Si系列双元掺杂DLC薄膜在不同温度下结构及摩擦学性能研究》篇一一、引言近年来，双层掺杂类金刚石碳膜（DLC）因其优异的物理和化学性能，在众多领域得到了广泛的应用。
Si系列双元掺杂DLC 薄膜，以其独特的结构和性能，在摩擦学领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在研究Si系列双元掺杂DLC薄膜在不同温度下的结构变化及其对摩擦学性能的影响。
二、材料与方法1. 材料制备采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）制备Si系列双元掺杂DLC薄膜。
通过调整掺杂元素的种类和比例，以及沉积过程中的工艺参数，得到不同性能的DLC薄膜。
2. 结构分析利用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱等手段，对DLC薄膜的微观结构进行分析。
同时，通过原子力显微镜（AFM）观察薄膜的表面形貌。
3. 摩擦学性能测试在不同温度下，对DLC薄膜进行摩擦学性能测试，包括摩擦系数、磨损率等指标。
采用球盘式摩擦试验机进行测试，并分析温度对薄膜摩擦学性能的影响。
三、结果与讨论1. 结构分析（1）XRD分析：随着掺杂元素的变化和温度的升高，DLC 薄膜的晶体结构发生了一定程度的改变。
在低温下，薄膜呈现出较为规整的类金刚石结构；而在高温下，部分区域出现了非晶态结构。
（2）拉曼光谱分析：拉曼光谱结果表明，Si系列双元掺杂DLC薄膜的sp3键含量随温度的升高而降低，而sp2键含量则有所增加。
这表明在高温下，薄膜中的部分碳原子发生了重新排列，形成了更为规整的碳键结构。
（3）AFM分析：AFM图像显示，不同掺杂元素和温度下制备的DLC薄膜表面形貌存在差异。
在较低温度下制备的薄膜表面较为平整，而在较高温度下制备的薄膜表面可能出现微小的颗粒状结构。
2. 摩擦学性能分析（1）摩擦系数：在不同温度下，Si系列双元掺杂DLC薄膜的摩擦系数存在一定差异。
在较低温度下，薄膜的摩擦系数较低；而在较高温度下，由于部分区域出现非晶态结构，导致摩擦系数有所增加。
此外，掺杂元素的种类和比例也会影响薄膜的摩擦系数。
氟化类金刚石薄膜的研究进展
张茹芝;刘贵昌;邓新绿
【期刊名称】《真空科学与技术学报》
【年(卷),期】2004(24)4
【摘要】氟化类金刚石 (FDLC)薄膜是在传统类金刚石膜基础上发展起来的一种新型表面改性材料。
本文简述了FDLC薄膜的结构、性能 ,重点介绍了其制备工艺 ,
讨论了源气体的种类和退火工艺对薄膜的影响。
【总页数】5页(P271-275)
【关键词】氟化类金刚石薄膜;类金刚石膜;表面改性材料;气体;性能;制备工艺
【作者】张茹芝;刘贵昌;邓新绿
【作者单位】大连理工大学化工学院;大连理工大学三束材料改性国家重点联合实
验室
【正文语种】中文
【中图分类】TB332;O484.41
【相关文献】
1.中科院兰州化物所高真空环境下氟化类金刚石碳基薄膜失效本质和延寿取得新进展 [J], 中科院兰州化物所
2.含氮氟化类金刚石(FN-DLC)薄膜的研究:(Ⅱ)射频功率对薄膜光学带隙的影响 [J], 肖剑荣;徐慧;郭爱敏;王焕友
3.含氮氟化类金刚石(FN-DLC)薄膜的研究:(Ⅳ)氮掺杂对薄膜结构的影响 [J], 肖剑
荣;徐慧;王焕友;邓超生;李明君
4.中科院兰州化物所高真空环境下氟化类金刚石碳基薄膜失效本质和延寿取得新进展 [J], ;
5.高真空环境下氟化类金刚石碳基薄膜失效本质和延寿取得新进展 [J],
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FDLC薄膜的化学结构对光学性能的影响
刘雄飞;张德恒;齐海兵
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2007(28)1
【摘要】研究氟化类金刚石(FDLC)薄膜化学结构对光学性能的影响,用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在玻璃基底上沉积氟化类金刚石(FDLC)薄膜,用俄歇能谱、傅里叶红外光谱(FTIR)、紫外-可见光分光光度计(UV-VIS)对薄膜进行分析.分析结果表明:沉积薄膜是典型的类金刚石结构,薄膜中氟主要以C-F2键存在;随着沉积温度的提高,C-F2含量先增后减;随着F含量的增加,FDLC薄膜的sp3含量减少,sp2含量增加;光学带隙与sp2键含量密切相关,sp2含量越大,薄膜的光学带隙越小.
【总页数】4页(P51-54)
【作者】刘雄飞;张德恒;齐海兵
【作者单位】中南大学,物理科学与技术学院,长沙,410083;中南大学,物理科学与技术学院,长沙,410083;中南大学,物理科学与技术学院,长沙,410083
【正文语种】中文
【中图分类】TN4
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1.沉积参数对碳氮化硅薄膜化学结构及光学性能的影响 [J], 朴勇;梁宏军;高鹏;丁万昱;陆文琪;马腾才;徐军
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类金刚石涂层在不同载荷和湿度下的摩擦特性的报告，600字《类金刚石涂层在不同载荷和湿度下的摩擦特性报告》
本文是一项大规模的实验研究，旨在研究类金刚石涂层在不同载荷和湿度条件下的摩擦特性。
实验方法：一共有6种类金刚石涂层和5种不同湿度条件（0、10、20、30、40％），分别采用Dry、Wet-salt、Oil、Water
和Grease 5种润滑基材。
类金刚石涂层采用厚度为60μm的惥
嘌可特CVD GK-SiC现场发酵类金刚石涂层，表面的外部载荷：室温23℃下的水平和垂直载荷分别为5N，10N，15N，
20N和25N，30N。
实验结果：实验中发现，不同的载荷水平情况下，湿度的变化对类金刚石涂层的摩擦特性影响较大。
随着湿度的升高，类金刚石涂层表现出了显著的稳定性和摩擦力系数增加的趋势。
在载荷水平为25N时，湿度从0%升高到40%时，摩擦系数提高
了19.8%；而载荷为30N时，湿度从0%升高到40%时，摩擦
系数提高了32.2%。
结论：根据本次研究的结果，可以得出结论：在不同载荷和湿度条件下，类金刚石涂层表现出了一定的稳定性和摩擦力系数增加的趋势。
湿度变化越大，类金刚石涂层的摩擦特性发生的越大，摩擦力系数增加更明显。
ULSI用氟化类金刚石薄膜的研究第26卷第1期2007年1月电子元件与材料ELECTRONICCo吨NENTSANDMATERIALS,,01.26NO.1Jan.20o7ULSI用氟化类金刚石薄膜的研究肖剑荣,一,徐慧,简献忠(1.中南大学物理科学与技术学院,湖南长沙410083;2.中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410083;3,上海理工大学电气与工程学院,上海200093)摘要:以CF4和CH4为源气体,用射频等离子体增强化学气相沉积法,制备了氟化类金刚石(F-DLC)薄膜.采用FTIR仪,XPS对样品进行了测试,分析.结果表明,在薄膜内主要含有C—F=I,2,3),c'-C,c—H2,c—H3等以及不饱和C—c化学键;薄膜的岛为2.072.65.Er与膜内F的相对浓度有关,随着沉积功率的增大,膜内F,H的含量均降低,升高.关键词:半导体技术;氟化类金刚石薄膜;沉积功率;介电常数中图分类号:TN304.55文献标识码:A文章编号:1001-2028(2007)0l-0030-03 Study0nfluorinateddiamond.1ikecarbonf'flmsf0rULSIXoJian.tong,XUH试,JIANXian.zhong3n.SchoolofPhysicsScienceandTechnology,CentralSouthUniversity,Changsha410083,C hina;2.SchoolofMaterialScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;3.SchoolofEl ectricandEngineering,UniversityofShanghaiScienceandTechnology,Shanghai200093,China)Abstract:Fluorinateddiamond-likecarbon(F-DLC)filmsweredepositedbyradiofrequenc yplasmaenhancechemicalvapordeposition(RF-PECVD)reactorwithCF4andCI-I4assourcegases.Thestructuraland electricalpropertiesofthefilmswerecharactcdzexibyFT,XPS.Theresultsshowthatthechemicalbondinginthefilmsaremai nlyC--F~(x=I,2,3),C—H2,C—H3,C—CandunsaturatedC-~-Cbonding.ThefilmsdielectricconstantErrangesfrom2.07tO2.65,a nditrelatestothecontentofEWhenpowerincreases,thatisrelativecontentsofHandFcutdown,thedielectricc onstant岛increases.Keywords:semiconductor;F-DLCthinfilms;depositedpower;dielectricconstant半导体工业的迅猛发展导致了集成电路进一步向小型化,致密化和高速化发展,由此带来一系列诸如功耗,延时,串扰,散热等问题,这些问题严重制约着集成电路性能的进一步提高,受到越来越多的关注【l】.根据美国半导体工业协会(S)修订的半导体技术发展蓝图显示,到2012年采用0.01岬工艺时,ULSI金属化的最大层数可达9层【.互连线层数的上升引起了层间寄生电容的增加,金属连线的高宽比增加,线间的寄生电容也会迅速增加,互连线寄生电容的增加不仅使IC速度降低,而且也增加了交流功耗和信号串扰,这使得集成电路RC延迟超过门延迟成为制约其性能提高的主要因素【1.21.降低RC延迟的方法主要是用电阻率低的金属作为集成电路的互连线和用小的材料作为线间和层间隔离层,取代通常所使用的A1/SiO2系统.近10年来,国外对此作了很多研究,互连线采用Cu工艺已经得到认可,对于线间隔离层,目前还处于探索阶段.大量的研究表酬,氟化类金刚石(F—DLC)薄膜有较低的,较好的热稳定性使其能够承受集成电路加工过程中的热冲击,在器件工作期间温度升高后其性能不发生改变,良好的黏附特性使其能够与化学机械抛光和通孔刻蚀过程相兼容,是极有潜力的未来集成电路用低介质材料.但氟掺入后,如何影响FDLC薄膜的结构,碳氟键的耦合形式又如何影响薄膜的结构和介电性能等至今仍不甚明了,值得开展更深一步的研究工作.收稿日期:2006-09.27通讯作者:肖剑荣基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(05JJ40135)作者简介:肖剑荣(1967一),男,湖南洞口人,博士,主要从事功能薄膜材料的研究.Tel:(0731)8836762;E-maihcsu_xiaojianrong@yahoo.ca.corn.第26卷第1期肖剑荣等:ULSI用氟化类金刚石薄膜的研究311实验采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF.PECVD)设备及操作方法在文献【7】里做了详细的介绍.所用的源气体为CF4和CH4,流量分别为30cm3/min和10cm3/min,选用为工作气体,流量为2cm3/min,本底压强为10Pa.F-DLC薄膜沉积在单晶硅(100)晶面上,硅片经丙酮,酒精和去离子水超声波清洗,以除去表面的有机污染和天然氧化层,马上用电吹风吹干,放入真空室中,以尽量减少尘埃污染.沉积前,再在气中用100W的功率,轰击基片表面10min,进一步清洁其表面.沉积时,射频功率为50～350W,沉积温度为100℃,沉积气压在5.5-6.5Pa之间变化.并在其它条件不变的情况下改变射频功率,研究射频功率对薄膜内化学键结构的影响.采用DilorLabRam一肿Y型傅里叶变换红外光谱(VTtR)仪和Microlab310__F型x射线光电子能谱仪(XPS)对薄膜进行了测试,分析了薄膜的组分和化学键结构组成;利用ELL卜_B型椭偏仪对薄膜的厚度进行了测量,结合沉积时间计算出薄膜的沉积速率; 用QS37型电桥测量薄膜的介电常数,研究了制备工艺,薄膜结构和介电常数之间的关系.2结果与分析2.1功率对沉积速率的影响F-DLC薄膜的沉积速率主要受射频功率P的影响较大,其次,它还受沉积温度和流量比的影响.图1是沉积速率与P的变化关系曲线.可见,薄膜的|W图1沉积速率与射频功率P的关系曲线Fig.1DepositionrateasafunctionofRF—power沉积速率基本随P的增大而增大,当P达到200W左右时,曲线变得平缓,甚至有下降的趋势.这是因为P的增加使得真空室内电子的浓度和温度上升,易于反应气体离解,以至产生更多的等离子体成膜基团,有利于薄膜的生长;功率的增加也会导致真空室等离子体"鞘"的负电位上升,使得向器壁运动的离子流密度与电子流密度相差更大,也就是说这有利于成膜基团向基片运动,使薄膜的生长速率增加.当P达到一定的数值后,随着P的增加,使得粒子对薄膜的刻蚀作用增加大于前两者,从而成膜速率又开始下降. 2.2薄膜的FTIR分析图2是不同功率下沉积的F—DLC薄膜的VrlR谱, 50ol50o250o350o450o波数/cm-图2不同功率F沉积溥膜的F11R谱Fig.2TheFrlRspectraofthefilmsdepositedatdifferentpowers 可见,主要有四个基团结构与频率对应的分布区域:在波数1200,l600,2900,3500cm-的附近,分别对应C—F,C==CF2,C—H,O_一H基团区J.源气体中没有氧,薄膜中的氧可能来自真空室中背景大气或薄膜测试前表面被空气氧化所致.在2900cm-附近的三个峰(对应sp3一CH3,sp3-CH2,sp2-CH2)受P 影响相当大,随着P的增大,其强度明显减弱.这是因为当P增大时,CF4离解程度增大,致使真空中F的含量增加,而等离子体中的H很容易被吞噬【9】,从而导致薄膜中H的含量减少.在1600cm-附近主要是一些不饱和的基团,如C==0(1726cm-),C==C (1600～1620cm-)J.大功率下,C==C峰变化不大,说明C—C在薄膜中具有较好的稳定性.在1200cm-附近,主要是一些C—键,随着功率的增大,曲线变化很大例.该处的峰有的加强,而又有的峰减弱,但要说明是哪一个峰加强或哪一个峰减弱,只有用高斯拟合的办法.可以通过整个薄膜的吸收带来估算薄膜内F和C原子的相对浓度,原子的浓度应用Beer公式获得㈣:n=A式中:为X原子的浓度;A为常数;是在频率为的吸收系数.这样就可以得到退火前后薄膜内F原子相对浓度.2.3薄膜的XPS分析为了更进一步分析薄膜中C,F,H它们之间的键合方式,对200W下沉积的F—DLC薄膜进行了XPS测试.利用谱峰解叠方法,对XPS的Cls峰进行了高斯拟合,见图3所示.根据参考文献[11】,Cls峰可以解叠为5个高斯峰,其峰位为285.1,286.7,288.1, 290.0,293.9eV,分别对应C.一(C—H),C--CF,C_一CF,CF2,CF3等化学键.285:15eV和286.70eV32肖剑荣等:ULSI用氟化类金刚石薄膜的研究Vb1.26NO.1Jan.2007峰是由于Cls的电子跃迁到轨道上形成兀键所至,7【键的存在说明在薄膜中存在不饱和的碳碳键,例如C----~-C键【lII.在285.1eV位置,由于这时C的相邻只有H和C两种原子,故其结合形式为C==CH,这种结构在薄膜中占的比例相当少.在286.7eV和288.1 eV位置,这时C的相邻只有C和一个F原子两种原子,结合可能形式为C—CF或C---=CF等,它们在薄膜中占的比例较大,是薄膜中化学键的主要成分.在290.0eV位置,这时C的相邻只有C和两个F原子,结合形式为C—CF2等,它们在薄膜中占的比例不大; 在293.9eV位置,这时C的相邻只有C和三个F原子,结合形式为C--CF3.可见,在F—DLC薄膜结构中主要存在的化学键有:C—C,CH,CF2,CF3和不饱和C----~-C键.薄膜中的C--CF键多,薄膜的关联较强,减小,稳定性好;而薄膜中的C--CF3键多,薄膜的关联减弱,减小,但稳定性差;而薄膜内CF2的含量对降低没有贡献¨引. 282284286288290292294E/eV图3薄膜xPs的Cls谱峰高斯拟合Fig.3ClsregionofXPSspectraofF-DLCthinfilms2.4薄膜的介电常数沉积条件的不同会导致F—DLC薄膜的结构和介电性能发生变化.图4是薄膜的st值,薄膜内F的相对浓度与射频功率P的关系曲线.由图可见,P从5Ow升高到350W,薄膜内F的相对浓度减小,薄膜O6OO.5O0.40,O.3O靛O.2OⅡ一O.1OP|w图4Er值与膜内F相对浓度及P的关系Fig.4DielectricconstantEr.relativecontentofFasafunctionofpower 值从2.07升高到2.65,这一结果与Endo等的研究结果相似【l引.F-DLC薄膜的介电常数决定于膜内的电子极化【I4】,产生电子极化的主要来自于C—F的贡献IlⅢ. 薄膜的s值随P的升高而增大的原因是:P的增大,真空室内粒子的能量增加,粒子对薄膜的刻蚀作用加强,使得薄膜内部分F被刻蚀出来,因此,膜内F的原子相对浓度减小,导致了值升高.3结论适当的沉积功率,可以获得薄膜的最佳沉积速率;随着沉积功率的增加,膜中H的含量显着降低,膜中的C相对含量也发生了变化;在2.07—2.65之间,它与膜内F的含量有关,沉积功率越大,F的含量越小,越大.F—DLC薄膜是一种很有应用前景的互连线介质材料,但其热稳定性与介电常数的相互制约一直是阻碍其实用化的瓶颈,通过研究其介电性能与化学结构以及热稳定性的关系,找到解决该矛盾方法,有望使之实现产业化.参考文献:GrillA.Amorphouscarbonbasedmaterialsastheinterconnectdielectricin ULSIchips【J】.DiamondRelatMater,2001.(I【】):234.ThonlasME.1997SIARoadmap:thefutureofinterconnects【J】Solid StateTechnol,l998,4l(2):".YiJW,LeeYH.FaroukB.Annealittgeffeconstructuralandelectalcal propertiesoffluorinatedamorphouscarbonfilmsdepositedbyplasma enhancedchemicalvapordeposition【J】.FhinSr,l:dFilms,2003.423:97. YahaiK,KarahashiK,IshikawaK,etc1.MasnmalyzedC(l,2.3)ion beamstudyonselectivityofS;02—-to-SiNetchinganda-C:Ffilmdeposition 【J】.JApplPhys,2005,97:053302.WangX,HarrisHR,BouldinK,eta1.Structralpropertiesoffluorinated amorphouscarbonthinfilms【J】_JApplPhys,2000,87:621.江美福,宁兆元.氟化类金刚石薄膜的拉曼和红外光潜结构研究.物理,20o4.53:l588.【7JLiuXXiaoJR,JianXZ.eta1.Studyona-C:F:HfilmspreparedbyPECVD【J】.TrassNonferrousMetSoc,China,20o4.14:426.【8】YeC.NingZChengSH,eta1.Opticalgapoffluorinatedamorphous carbonfilmspreparedbyelectroncyclotronresonancetrifluromethaneand benzeneplasmas【J】.DiamondRelatMater,2004,l3:l91.【9】辛煜.宁兆元,甘肇强.等.不同CHF3/CH4流量比下沉积a-C:F:H薄膜键结构的红外分析【J】.物理,2001.50:2492.【10】XinNingZYeZ,eta1.OpticalemissionstudyofCH4+CHF3ECR plasmaandpropertiesofa-C:F:Hfilms【J】.rfCoatTechon1.2003.173:l72.【I1】StohrJ.NEXFASSpectroscopySpringerSeriesinSurfaceSciences【M】. 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