Influence of the self-bias voltage on the microstructure of hydrogenated amorphous carbon films elaborated by rf-pecvd

Abstract EN

Hydrogenated amorphous carbon films (a-C:H) were deposited at room temperature in an rf-PECVD reactor using different DC self-biases (150 – 240 V).

The microstructure of the films was then analysed by infrared transmission spectroscopy and Raman spectroscopy.

The IR results show that hydrogen is bonded to both sp3C and sp2C atoms in all samples: more than 60% of bonded H is in sp3CHx groups (x = 2, 3) while only 13 to 17% is in sp2CH species in graphitic clusters (probably aromatic rings).

The influence of self-bias voltage Vb on the microstructure of the a-C:H films is also demonstrated by Raman scattering analysis.

Indeed, a linear relationship between the ratio of the integrated intensity of the D peak over that of the G one (ID/IG) and the G peak FWHM (G) was found for films prepared at relatively high Vb values (Vb higher than -150 V).

As the DC bias Vb increases, the ratio ID/IG increases while G becomes narrower.

Also G is strongly affected by the graphitization of the material and hence the presence of graphitic clusters.

The observed values of G (166 – 178 cm-1) and ID/IG (≤ 1) for our films suggest that the graphitic clusters sizes are less than 10 Å.

Moreover, the relative low hydrogen content of these films, as shown by infrared transmission spectra, in addition to the former characteristics and to the values of band gap width, indicate that our a-C:H films seem to exhibit properties which lie between those of polymeric and DLC films. infrarouge et la spectroscopie Raman.

Les résultats obtenus grâce à la première technique montrent que l’hydrogène est lié aussi bien aux atomes de carbone en configuration sp2C, qu’en configuration sp3C, pour tous les échantillons étudiés.

Ainsi, plus de 60% de l’hydrogène est lié aux groupes sp3CHx (x = 2, 3), alors que seulement 13 à 17 % de cet élément est lié aux espèces sp2CH dans des amas graphitiques (probablement des anneaux aromatiques).

L’influence de la polarisation Vb des substrats sur la microstructure des couches a-C :H est également démontrée par l’analyse Raman que nous avons effectuée.

En effet, une relation linéaire existe bien entre le rapport de l’intensité intégrée du pic D et celle du pic G (ID/IG) et la largeur à mi-hauteur du pic G (¬G), pour des valeurs de Vb relativement élevées : lorsque Vb augmente, ID/IG augmente également alors que ¬G devient faible.

Ce qui signifie que la largeur ¬G est fortement affectée par la graphitisation progressive du matériau, et donc la présence d’amas graphitiques.

Les valeurs observées pour ¬G (166 à 178 cm-1) et le fait que ID/IG soit inférieur à 1, suggèrent que la taille des amas graphitiques ne devrait pas dépasser 10 Å.

Ces dernières caractéristiques, ainsi que la largeur du gap optique déterminée par des mesures dans l’UV / visible, et les valeurs relativement faibles de la concentration d’hydrogène– déterminées à partir des spectres d’absorption infrarouge- suggèrent que les couches a-C : H étudiées ont des propriétés microstructurales comprises entre celles des couches polymériques et celles des couches DLC. Mots clés : PECVD, a-C : H, FTIR, spectroscopie Raman, graphitization.