光學原件論文金剛石膜顯微鏡缺陷形式

　　金剛石膜的光學性能被廣泛運用在紅外窗口中，但在顯微鏡下存在黑色缺陷，本篇光學原件論文通過實驗分析金剛石薄膜“黑色組織”表征，追究形成黑色缺陷的原因，得出黑色缺陷來源于晶界處的裂隙或者孔洞和晶粒內部的結晶缺陷的結論。可以發(fā)表光學原件論文的期刊有《真空電子技術》(雙月刊)創(chuàng)刊于1959年，由北京真空電子技術研究所主辦。是真空電子專業(yè)協(xié)會會刊，電真空情報網(wǎng)網(wǎng)刊，中國真空電子技術領域唯一的綜合技術類刊物。設有專家論壇、研究報告、研究與設計、新技術、技術交流、工藝與應用、綜述等欄目。主要刊登的是真空微波器件、離子器件真空開關器件等真空電子器件;CPT、CDT、PDP等顯示器件和光電器件;照明光源;真空獲得、測量、控制;氣體分析;表面技術;電子材料及特殊工藝等方面的文章。

　　金剛石具有優(yōu)異的光學性質，從紫外波段到遠紅外波段，除在波長為4μm~6μm時存在微小的本征吸收峰外，不存在其他吸收峰，而且金剛石還具有硬度高，耐磨損，熱導率高等優(yōu)異性能，使得金剛石成為最理想的紅外窗口材料[1~3]。直流電弧等離子噴射(DCArcPlasmaJet)化學氣相沉積技術制備金剛石薄膜具有沉積速度快、薄膜質量高等優(yōu)點，是CVD金剛石薄膜實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)最有競爭力的工藝技術之一。但是此法制備的CVD金剛石厚膜，在光學顯微鏡下觀察時，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)大量黑色的缺陷(blackdefects)，這些缺陷極大地影響金剛石膜的光學性能[4~6]。國內學者[7~8]采用激光標記的辦法結合各種表征手段，對使用同樣辦法制備的金剛石膜中的黑色缺陷進行了定點表征，認為金剛石膜內部的黑色缺陷是一種存在于晶界處的孔洞與質量較低的金剛石相的復合體。同時還探討了沉積溫度的變化與黑色缺陷形成的關系。本文在實驗的基礎上，也對CVD金剛石膜中的黑色缺陷進行了研究，認為黑色缺陷在膜中還有其它存在形式。

　　1實驗過程與方法

　　1.1金剛石自支撐膜的制備本實驗采用自制的30kW直流電弧等離子體噴射設備。襯底為直徑65mm的鉬片，沉積前先用金剛石粉對鉬片表面進行研磨處理提高形核密度，然后用酒精超聲清洗。沉積條件為：Ar/H2/C3H8混合氣體,其中C3H8的體積分數(shù)1%，輸入功率17kW，反應壓力4.5kPa，沉積時間62h，薄膜沉積厚度700μm~800μm。采用機械方法對金剛石薄膜形核面和生長面進行雙面拋光，拋光后薄膜厚度在450μm左右，薄膜表面粗糙度Ra<30nm。

　　1.2金剛石薄膜“黑色組織”表征

　　利用光學顯微鏡對拋光前后的膜進行透射光、反射光以及側入射光模式的觀察，利用X射線光電子能譜(XPS)和拉曼光譜(Raman)對黑色組織成分進行表征。

　　2結果與討論

　　圖1是樣品拋光前后的光學顯微鏡對比圖。圖A、B是拋光前在高倍光學顯微鏡下觀察某特定晶粒的顯微圖，由于生長面晶粒尺寸較大，光學顯微鏡景深很小，所以光學顯微鏡視場下除了焦平面，其余視場成像模糊。A圖是反射光成像，中間最明亮的大三角形即為(111)結晶面。晶面表面不是完全平滑的，有很多缺陷，中間表面“斷裂”部分尤其明顯。在反射光下，“斷裂”部分表現(xiàn)為黑色的粗線，其余表面相對平滑，反射光下黑色區(qū)域不明顯。當采用透射光時，(111)結晶面除原反射光下顯示的黑色區(qū)域外，黑色區(qū)域面積增大了。該區(qū)域邊緣模糊，深淺不一，占了晶面的大部分區(qū)域，但是這些黑色區(qū)域的范圍都在(111)晶面的晶界內部，這些增加的黑影即為晶粒內部“黑色缺陷”在晶粒表面形成的投影，“黑色缺陷”降低了薄膜的光學透過率。陷主要有兩種顯示形式：一種為團絮狀黑斑。這種團絮狀黑斑在視場中有兩塊，且它們集中分布區(qū)域的形狀與晶粒輪廓大致吻合，對比圖B，可以推斷圖中上下兩個大黑斑處于兩個大晶粒內部，這兩個晶粒中的黑色缺陷明顯多于其他區(qū)域。很多文獻報道[9~11]，(111)面容易出現(xiàn)位錯、孿晶等缺陷，這和圖1中我們的觀察結果一致。而且在拋光的過程中，(111)面很容易出現(xiàn)一些凹坑，這也說明(111)面存在一些缺陷導致晶粒在拋光過程中會出現(xiàn)“局部破碎”現(xiàn)象。這些證據(jù)都表明晶粒內部的一些缺陷影響了光的透射，形成了黑色缺陷，從而降低了金剛石膜的光學性能。

　　一種是點狀或線狀黑色缺陷。在C圖反射光下，觀察到的點狀缺陷較多，這些缺陷不只是由生長過程形成的，部分缺陷還與研磨劑(金剛石微粉)在研磨拋光膜片表面時引起的膜片表面“破損”有關。這些點狀缺陷部分存在于表面，部分在膜的內部，這些缺陷的尺寸、形成原因比較復雜，只利用光學顯微鏡非常難于定位觀察，姜春生等人[7~8]便對此類缺陷進行了詳細的研究。在D圖透射光下可以更清晰地觀察到黑色線狀缺陷，這種缺陷多存在于晶界處，缺陷的形狀大致沿晶界發(fā)展。對膜中黑色線狀缺陷進行研究，需要引入不同的入射光源。在低倍光學顯微鏡下采用不同的入射光源進行觀察的兩組對比圖。A1、B1入射光是透射光，A2、B2入射光是透射光和反射光，A3、B3入射光是側光(側光指入射光角度與拋光面角度小于15°)。B1-B3主要選取晶界處線狀缺陷進行觀察：圖B1是透射光，圖中線狀缺陷在透射光下表現(xiàn)為黑色細線;當反射光同時加入時(圖B2)，部分黑線變亮;當只有側光時，視場整體較暗，但是部分邊界反而異常變亮。

　　這說明晶界處的線狀缺陷存在對光的不同反射面，說明缺陷部分是不均質的，缺陷部分存在裂隙或者孔洞。A1-A3主要顯示在各種入射光下樣品晶粒內部缺陷的變化情況。由圖可見隨著光源入射方式的改變，光學顯微鏡下缺陷顯現(xiàn)的亮度和顏色也在變化：圖A1所示當透射光入射時，缺陷影響光的透射，造成局部的暗場;當透射光和反射光同時入射時，如圖A2所示，黑斑變亮;在圖A3側光下，可以看到原來三塊黑斑區(qū)域亮度高于周圍區(qū)域，并且顯示出晶粒的輪廓。由此可見黑色缺陷并不總是黑色，它只是對透射光有很強的吸收，當入射光角度變化時，缺陷部位會有一些不同的反射面，使得薄膜呈現(xiàn)出不同的亮度。綜上所述可以初步判斷黑色缺陷可能是裂隙或孔洞的界面，或者是大晶粒內部的缺陷，也有可能是透明的夾雜物。中應該占有一定的比率，如果這些黑色缺陷都是夾雜物，那么應該在光譜檢測中有非常強的信號。等雜質元素信號很微弱。從圖4樣品的Raman圖來看，譜線金剛石特征峰尖銳、強烈，背景譜線比較平滑，說明膜中金剛石相含量很高。這就從側面說明，膜中黑色缺陷是異質物的可能性很低。所以我們可以判斷，出現(xiàn)黑色缺陷的位置很有可能就是裂隙或孔洞，或者是晶粒內部的缺陷。晶粒的競爭生長形成了金剛石薄膜柱狀的晶粒特征，如果膜中晶粒晶界結合強度低，那么在降溫過程中，熱應力就很有可能在此處釋放。金剛石膜在激光切割加工和測試磨耗比過程中的“掉粒”現(xiàn)象也說明部分晶粒間存在結合強度低的問題。當熱應力在晶界處釋放時，往往會產(chǎn)生裂隙。同時在晶粒競爭生長時，也會由于局部沉積條件的不同，在膜內部產(chǎn)生沉積速度、沉積取向的不同，使得各晶粒間不能完全閉合，從而產(chǎn)生間隙或者孔洞。在這些間隙或孔洞的邊界即可形成光的反射面，這樣在光學顯微鏡下就會出現(xiàn)不同于均質金剛石相的光學現(xiàn)象：透射光下觀察，缺陷會出現(xiàn)暗線或暗點;反射光下，則是亮線或亮點。

　　由于制備金剛石厚膜的時間較長，沉積過程中很難保持沉積條件的完全穩(wěn)定，這樣在某些大晶粒的內部(在厚度為700μm左右金剛石膜中，晶粒的尺寸可以增至200μm)也會出現(xiàn)一些結晶缺陷，這些缺陷在沉積完成前的降溫過程中，極有可能形成微裂紋簇，這樣在光學顯微鏡的透射光模式下會在晶粒內部觀察到團絮狀黑色缺陷。

　　3結論金剛石膜內部的黑色缺陷部分來源于晶界處的裂隙或者孔洞和晶粒內部的結晶缺陷。熱應力的釋放會使結合力較差的晶粒晶界產(chǎn)生裂隙或孔洞;局部生長條件的改變，晶粒生長取向不同，也會使晶粒間的競爭生長產(chǎn)生裂隙或者孔洞;厚膜生長過程中大型晶粒的內部也會出現(xiàn)生長缺陷，這些都是金剛石膜內部黑色缺陷的來源。

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