0I:10.13374/j.1ssn1001053x.1997.01.020 第19卷第1期 北京科技大学学报 Vol.19 No.1 1997年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1997 CN,薄膜的制备和表征* 程德刚 吕反修杨莲隐宋铂佟玉梅 北京科技大学材料系，北京100083 摘要采用在纯氨气织中磁控戏射高纯石墨靶的方法成功地制备了碳氨薄膜，研究表明，碳氨膜 的硬度不仅与薄膜中的氮含量有关，更重要的是与碳氮原子之间的结合状态有关.C三N键有利 于薄膜硬度的提高，高溅射功率和高偏压能促进碳氨叁键的形成，从而提高薄膜硬度， 关健词磁控溅射，碳氨薄膜，硬度 中图分类号TQ164 Liu和Cohen,2)通过理论计算后预言，如果C和N之间能形成与B-Si,N,结构相同的 -C,N,那么它就会具有比金刚石更高的硬度.他们的预言引起了人们极大的研究兴趣.近年 来许多材料工作者在B-C,N,的制备方面作了一些尝试，试用了不少方法，例如等离子体 CVD)]、有机化合物热分解、射频溅射)、直流磁控溅射6~乳和离子束辅助沉积o等.但是， 至今，所有方法制备的薄膜氨含量一般都比较低(<40%)，而且都是非晶态结构，还未得到 具有高硬度的纯晶态结构，因此一般称作CN:(x为氨碳原子数之比).最近，Nu等山采用氮离 子辅助激光蒸发石墨靶的方法得到N质量分数达40%的薄膜，而且在电镜下观察到了多晶 衍射环，认为得到了-C,N的晶态结构.但是，没有给出晶体结构更有力的证据，即X射线衍 射谱，也未测出薄膜的硬度， 本文采用直流磁控溅射的方法制备了CN薄膜，并用SEM,XPS,TEM、红外光谱和显微 力学探针(Mechanical Properties Microprobe,MPM)对薄膜的结构和性能进行了分析和测试. 1制备方法 采用在纯氮气中溅射高纯石墨靶的方法来制备CN,薄膜，所采用的工艺参数为：靶距 60mm,溅射功率300~1500W,工作气压0.4~10Pa,偏压-50~-400V. 实验采用的基体为Si单晶和KCI单晶.Si基体用于薄膜的硬度测试及SEM,XPS,TEM 分析；KC1用于薄膜的红外光学研究.单晶S在沉积前依次在丙酮、甲醇中进行超声波清洗， 并在溅射前进行离子轰击，以彻底清除基片表面的污物.沉积过程中基体不加热，薄膜厚度控 制在500~1000nm之间. 19961202收稿第一作者男32岁博士后 ◆国家863高科技项目第1 , 卷 第 1期 1 9 9 7年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e sr i yt o f S c le n e e a n d T e e h n o l o gy B e ij in g V 0 1 . 1 9 N O 一 1 F e b . 1 9 9 7 C N 程德 刚 二 薄膜的制备和 表征 ’ 吕反修 杨 莲 隐 宋 铂 终玉 梅 北京科技大学材料系 , 北京 10 0 83 摘要 采用在纯氮气 氛中磁控溅射高纯石墨 靶的方法成功地制备 了碳 氮薄膜 . 研究表 明 , 碳氮膜 的硬度不仅 与薄膜 中的氮含量有关 , 更 重要 的是 与碳 氮原子之间的结合状态有关 . C 三 N 键有利 于薄膜硬度 的提高 . 高溅射功率和高偏压能促进碳氮叁键的形成 , 从而提高薄膜硬度 . 关健词 磁 控溅射 , 碳氮薄膜 , 硬度 中图分类号 T O 16 4 iL u 和 c o h en l2[ ] 通过 理论计 算后 预 言 , 如果 C 和 N 之 间能形 成 与 p 一 s i 3N ; 结构 相 同的 p 一 C 3 N 4 , 那 么它就 会具有 比 金 刚石更 高 的硬度 · 他们 的 预言引起 了人们 极大 的研究兴 趣 · 近 年 来 许多 材 料 工 作 者 在 p 一 C 3 N 4 的 制 备方 面 作 了 一 些 尝 试 , 试 用 了不 少 方 法 , 例 如 等 离 子 体 C V D[ 3] 、 有 机化 合物 热分 解 41[ 、 射 频溅 射 5[] 、 直 流 磁控 溅射 6[ 一 9 ]和离子束辅助沉 积 l0[] 等 . 但是 , 至今 , 所有 方 法制 备 的薄膜 氮 含 量 一般 都 比较低 ( < 40 % ) , 而 且都 是 非 晶态结 构 , 还未 得到 具有高硬 度 的纯 晶态结构 , 因此一般称 作 c Nx (x 为氮 碳原 子数之 比) . 最近 , iN u 等l[ ’ ]采 用氮离 子辅 助 激光 蒸 发 石墨 靶 的方法 得 到 N 质 量分 数 达 4 0 % 的薄膜 , 而 且在 电镜下观 察到 了多 晶 衍射 环 , 认为 得到 了 p 一 C 3N 4 的晶态 结构 · 但 是 , 没 有 给出 晶体结 构更 有力 的证 据 , 即 X 射线衍 射谱 , 也 未测 出薄膜 的硬 度 . 本 文采 用直 流 磁控 溅射 的方 法 制备 了 c N , 薄 膜 , 并 用 s E M , x P s , T E M 、 红外光谱 和显微 力学 探针 ( M e e h an i e a l p r o p e rt i e s M i e r o p or b e , M p M )对薄膜 的结构 和性能 进行 了分 析和测 试 . 1 制 备方法 采 用 在纯 氮 气 中溅 射 高纯 石墨 靶 的方 法 来 制 备 c N 二 薄膜 , 所 采 用 的工 艺 参数 为 : 靶 距 6 0 nu , 溅 射功率 3 0 0 一 1 5 0 0 W , 工作气压 0 . 4 一 1 0 P a , 偏 压 一 5 0 一 一 4 0 0 V . 实验 采用 的基 体为 is 单 晶和 K CI 单晶 . 51 基体用 于薄膜 的硬度 测试及 S E M , X P S , T E M 分 析 ; K CI 用 于 薄膜 的红 外光 学研 究 . 单晶 iS 在沉 积 前依 次在 丙 酮 、 甲醇 中进行 超声 波清洗 , 并在 溅射前进 行 离子轰击 , 以 彻底 清 除基 片表 面 的污物 . 沉积 过程 中基体不加 热 , 薄膜 厚度 控 制在 5 0 0 一 1 0 0 0 nm 之 间 . 19 6 一 12 一2 收稿 第一作者 男 犯 岁 博士 后 * 国家8 63 高科技项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 01. 020