EELS ，XPSおよびRAMANによるDLC膜の結晶構造評価手法の検証

概要

Diamond Like Carbon (DLC)の結晶構造評価のためにsp3 /sp2を調べることが重要です。

弊社において、Unbalanced Magnetron Sputtering(UBM法）とPlasma Based Ion Implantation（PBII法）によって作成したDLC膜をElectron Energy Loss Spectroscopy（EELS)によって評価しました。なおsp2

の標準試料としてHighly Oriented Pyrolytic Graphite（HOPG)を用いました。

さらにX-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS)とRAMAN分光分析を実施し、EELSの結果を検証しました。

DLC膜の断面TEM像

UBM法によるDLC PBII法によるDLC

DLCDLC

WC substrate

Si substrate

Pt cap

SOG

Pt cap

DLC膜のEELSスペクトル

0

5000

10000

15000

20000

25000

250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350

Electron Energy Loss(eV)

coun

ts

0

5000

10000

15000

20000

25000

250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350

Electron Energy Loss(eV)

coun

ts

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350

electron energy loss(eV)

coun

ts

UBM PBII

HOPG

EELSによるsp2 評価方法

*

2 * *

*

* *

% 100

AAsp GG

π

π σ

π

π σ

+

+

= ×

Fallon PJ and Brown LM (1993) Diamond Relt. Mater. 2, 1004

G　：GraphiteA　：DLC

EELS分析結果のまとめ

42%0.10334854495501327PBII

69%0.17142631797451194UBM

100％0.2474259286886416090HOPG

sp2Aπ*/Aπ*＋σ*Aπ*＋σ*Aπ*

DLC膜のXPSスペクトル

UBM PBII

DLC膜にOとCoが含まれている。

C1s XPSスペクトルによるsp2の評価

DLC膜のsp2含有比率

sp2

sp3

sp2

sp3

UBM：74％ PBII：44％

Structural properties and surface morphology of laser-deposited amorphous carbon and carbon nitride films; E. Riedo, et al : Surface and Coatings Technology 125 (2000) 124-128

UBM法によるDLC PBII法によるDLC

IG :　Area of G-band

ID :　Area of D-band

PG : G-Peak

Raman分光分析によるスペクトル

RAMAN分光分析の評価結果

15684.6UBM

15371.7PBII

PG(cm-1)ID/IG

•ID/IG　の減少 ： sp3/sp2比率増加•G-peakの低波数側へのシフト ： sp3/sp2 比率増加

A phenomenological approach for the ID/IG ratio and sp3 fraction of magnetron sputtered a-C films; S. Zhang, et al : Surface and Coatings Technology 123 (2000) 256-260

上記の記述から、PBII法によるDLCの方が、UBM法によるDLCよりもsp3 比率が高い、つまりsp2比率が低いと推定されます。

まとめ

成膜方法の異なるDLC膜の sp2 含有比率をEELSとXPSによって評価した結果を下記の表に示します。

44%74%XPS42%69%EELS

PBII法UBM法

DLC膜におけるsp2 含有比率の示す傾向はRAMAN分光分析によっても確認できました。

DLC膜のsp3/sp2比率の評価手段として、EELS、XPSそしてRAMANの有効性を検証することができました。