Structural Properties Characterization of Diamond-Like Carbon Films Prepared by RF-PECVD Method

Abstract

In this research, hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) films were deposited on a p-type silicon wafer with (100) orientation by the RF-PECVD method. A mixture of argon and acetylene was used as a precursor gas. The structural properties of a-C:H films prepared using the continuous and pulsed-wave modes were investigated with the RF power of 100-700 W, a duty cycle of 10-80%, and pulse frequency of 2-5 Hz. Raman spectroscopy was used to evaluate ID/IG ratio. Near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy was used to identify sp2 content, while the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to analyze sp3 contents. X-ray reflectivity (XRR) was used to extract the films, density, roughness, and thickness. The experimental results found that a-C:H film obtained from pulsed-wave mode gives better diamond-like carbon properties than the continuous-wave mode. In pulsed-wave mode, the duty cycle of 80% gives the lowest sp2 (%) content corresponding to the increased sp3 (%) content. In addition, the pulse frequency of 3 Hz gives the sp3 (%) content and density of 32.68% and 2.08 g/cm3, which are the highest values. At the same time, the ID/IG ratio and sp2 (%) content are a little bit fluctuation. The Increasing of RF power in continuous and pulsed-wave modes trend to decrease in the diamond-like carbon properties. This phenomenon corresponds to the increasing sp2 (%) content and decreased sp3 (%) content.

ในงานวิจัยนี้ได้ทำการเตรียมฟิล์มบาง a-C:H ลงบนแผ่นซิลิกอน (Si) ชนิดพี (p-type) ระนาบ (100) ด้วยวิธีอาร์เอฟ-พีอีซีวีดี โดยใช้แก๊สอาร์กอน (Ar) และแก๊สอะเซทิลีน (C2H2) เป็นแก๊สตั้งต้น โดยได้ทำการศึกษาผลของการเตรียมฟิล์ม a-C:H ในโหมดต่อเนื่องและโหมดพัลส์ที่กำลังไฟฟ้าในช่วง 100-700 W รอบการทำงานในโหมดพัลส์ 10-80% และความถี่พัลส์ 2-5 Hz จากนั้นได้เปรียบเทียบสมบัติเชิงโครงสร้างของฟิล์มโดยใช้เทคนิครามาน วัดสัดส่วน ID/IG เทคนิคเนคซาฟ วัดปริมาณ sp2 (%) เทคนิคเอกซ์พีเอส วัดปริมาณ sp3 (%) และเทคนิคเอกซ์อาร์อาร์ วัดความหนา ความหนาแน่น และความขรุขระของฟิล์ม พบว่าฟิล์ม a-C:H ที่ได้จากโหมดพัลส์จะให้สมบัติความเป็นคาร์บอนเสมือนเพรชดีกว่าโหมดต่อเนื่อง การใช้รอบการทำงานในโหมดพัลส์ 80% ให้ปริมาน sp2 (%) ต่ำสุด ซึ่งสอดคล้องกับปริมาณ sp3 (%) ที่เพิ่มขึ้น การใช้ความถี่พัลส์ 3 Hz ให้ฟิล์ม a-C:H ที่มีปริมาณ sp3 (%) สูงสุด คือ 32.68% และมีความหนาแน่นสูงสุดเท่ากับ 2.08 g/cm3 ในขณะที่สัดส่วน ID/IG และปริมาณ sp2 (%) มีค่าใกล้เคียงกัน การเพิ่มกำลังไฟฟ้าในโหมดต่อเนื่องและโหมดพัลส์ส่งผลให้สมบัติความเป็นคาร์บอนเสมือนเพรชลดลง ซึ่งสอดคล้องกับปริมาณ sp2 (%) ที่เพิ่มขึ้น และปริมาณ sp3 (%) ที่ลดลง