Synthesis of Hydrogenated Amorphous Carbon Films by an Energetic Plasma Source

Abstract

This research is associated with the deposition process for hydrogenated amorphous carbon films (a-C:H) by energetic plasma sources including (1) magnetron sputtering with substrate biasing and (2) a focused anode layer ion source (FALIS). For the first approach, i.e., the magnetron sputtering, the influence of ion flux and substrate bias voltage on the microstructure of a-C:H films has been investigated. It was shown from the Langmuir probe that ion flux at the substrate position is in the range of 1018 - 1019 m-2s-1 for the given process conditions. Furthermore, the flux of ions is proportional to the discharge current, however, nearly independent from the substrate bias voltage. The microstructure of a-C:H film has been investigated using Raman spectroscopy. It was found that increasing the amount of ion flux gives rise to an increase in sp2/sp3 ratio indicating a larger grain size of the graphite structure in the film a-C:H. However, the substrate bias over -200 V results in a dramatic decrease of sp2/sp3 ratio presenting a higher diamond-like structure in the deposited films.

For the second approach, i.e., FALIS, ion flux is highly non-uniform. The ion flux at the beam center is in the range between 1017 and 1019 m-2s-1. The ion flux profile at the substrate depends on the gas pressure and the discharge potential. The structure of the a-C:H films was revealed by Raman spectroscopy, XPS and NEXAFS techniques. It was found that the a-C:H film has graphite properties to increase with the increase of discharge voltage 620 V to 1340 V. This may due to excessive flux and energy of the particles transferring the films. It suggests that monitoring and controlling either ion flux and ion energy are very important to control microstructures and properties of the designed a-C:H films.

งานวิจัยนี้เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ฟิล์มไฮโดรจิเนทเตดอะมอร์ฟัสคาร์บอนโดยพลาสมาพลังงานสูงซึ่งสามารถสร้างได้โดยการใช้ศักย์ไบอัสเหนี่ยวนำสำหรับเทคนิคการตกสะสมดีซีแมกนีตรอนสปัตเตอริง และกำเนิดได้โดยตรงสำหรับ Focused anode layer ion source เพื่อศึกษาอิทธิพลของปริมาณฟลักซ์ไอออนและพลังงานที่มีต่อโครงสร้างของฟิล์ม a-C:H บนแผ่นผลึกซิลิกอน จากการใช้หัววัดแลงเมียร์ทำให้ทราบว่าฟลักซ์ไอออนที่ตกกระทบแผ่นซิลิกอนระหว่างกระบวนการตกสะสม มีค่าอยู่ในย่าน 1018 ถึง 1019 m-2s-1 สำหรับเทคนิคดีซีแมกนีตรอนสปัตเตอริง นอกจากนี้ยังพบว่า ปริมาณฟลักซ์ไอออนมีความสัมพันธ์โดยตรงกับกระแสดิสชาร์จที่จ่ายให้หัวแมกนีตรอนสปัตเตอริง แต่เป็นอิสระจากศักย์ไบอัสแผ่นซิลิกอน การศึกษาโครงสร้างระดับจุลภาคของฟิล์ม a-C:H ด้วยเทคนิครามานสเปกโตรสโคปี พบว่าการเพิ่มปริมาณฟลักซ์ไอออน มีผลทำให้สัดส่วน sp2/sp3 ในฟิล์ม a-C:H เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ในทางตรงข้ามศักย์ไบอัสที่มากกว่า -200 V ทำให้สัดส่วน sp2/sp3 มีแนวโน้มลดลง และช่วยให้ฟิล์มมีคุณสมบัติคล้ายเพชรมากขึ้น

ในขณะที่การสังเคราะห์ฟิล์ม a-C:H ด้วย Focused anode layer ion source การวินิจฉัยฟลักซ์ไอออนทำให้ทราบว่า ลำไอออนที่กำเนิดขึ้นจากแหล่งกำเนิดนี้มีลักษณะเป็นทรงกระบอกกรวงและทรงกรวยกรวง หากแหวนแอโนดไม่ได้รับการปรับมุมและแหวนแอโนดได้รับการปรับมุมน้อยกว่า 70 ํ โดยเส้นผ่านศูนย์กลางลำไอออนมีค่า 30 mm และ 24 mm ตามลำดับ อย่างไรก็ตามฟลักซ์ไอออนมีค่าย่าน 1017 และ 1019 m-2s-1 ที่ขอบภาชนะสุญญากาศ และ ณ. ตำแหน่งลำไอออน ตามลำดับ โปรไฟล์ของฟลักซ์ไอออนขึ้นอยู่กับความดันแก๊สและศักย์ดิสชาร์จ โครงสร้างของฟิล์ม a-C:H ได้รับการเปิดเผยโดยเทคนิครามานสเปกโตรสโคปี XPS และ NEXAFS พบว่าฟิล์มที่ตกสะสมด้วยศักย์ดิสชาร์จมากกว่า 1000 V มีความคล้ายแกรไฟต์ ในขณะที่ฟิล์มที่ตกสะสมด้วยศักย์ดิสชาร์จ 620 V มีคุณสมบัติคล้ายเพชร แสดงให้เห็นว่าฟลักซ์ไอออนและพลังงานไอออนส่งผลโดยตรงต่อโครงสร้างของฟิล์ม a-C:H