Effect of film thickness on mechanical properties of tetrahedral amorphous carbon films

Tetrahedral amorphous carbon films of different thicknesses were prepared on p(100) single crystal silicon substrates using filtered cathode vacuum arc technology under the same process conditions. The thickness and stress of the films were tested using a surface profiler, and the hardness, Young\'s modulus and critical scratch load of the films were tested using a nanoindenter. The test showed that under certain scanning waveform conditions, the film grew stably at a deposition rate of about 0.7 nm/s. With the increase of film thickness, the stress of the film continued to decrease. When the film thickness exceeded 30 nm, the stress would be lower than 5 GPa. When the film thickness exceeded 300 nm, the hardness and Young\'s modulus were nearly 70 GPa and 750 GPa, respectively, which were very close to the performance indicators of bulk diamond. In addition, the stress change caused by the increase in film thickness also caused the peak position of the asymmetric broad peak of the visible light Raman spectrum to gradually shift to low frequency. Keywords: tetrahedral amorphous carbon; filtered cathode vacuum arc; mechanical properties; stress Tetrahedral amorphous carbon (ta-C) is a hydrogen-free diamond-like carbon containing a high proportion of four-coordinated σ bonds (up to more than 70%) [1]. It has many excellent properties comparable to diamond crystals and has broad application prospects in the fields of electronics, machinery, national defense and medicine [2~5]. Tetrahedral amorphous carbon films are generally deposited by particle beams generated by energy forms such as lasers, arcs and ion beams [6~9], which leads to high internal stress accompanied by excellent properties such as high hardness, high modulus, high wear resistance, high light transmittance and high biocompatibility [10,11]. High pressure stress limits the stable thickness of the film without peeling to 100~200 nm [12,13], which is difficult to meet different usage requirements, thus becoming a bottleneck restricting its wide application. Obviously, it is of great practical significance to understand the influence of film thickness on mechanical properties such as stress, hardness, modulus and critical load. To this end, this paper uses filtered cathode vacuum arc technology to prepare tetrahedral amorphous carbon films of different thicknesses on polished single crystal silicon substrates at room temperature, and studies the effect of film thickness on the film stress, hardness, Young\'s modulus and other mechanical properties. 2.1 Sample preparation The samples were prepared using an off-plane double-bend filtered cathode vacuum arc (FCVA) diamond-like film deposition system. The experimental principle is detailed in reference [14]. During deposition, the same DC pulse negative bias (-80V) was applied to the substrate, the pulse frequency was fixed at 1500Hz, the pulse width was 25s μ, and the deposition time was changed from 0 to 500s to obtain a group of tetrahedral amorphous carbon film samples with different thicknesses. The mechanical arc-starting mechanism positioned by a photosensitive sensor was used to force the arc to be triggered every 15 seconds to ensure the flatness of the target surface of the high-purity graphite cathode and the continuous and stable burning of the arc. All experiments used the same scanning waveform to ensure uniform film thickness in the deposition area with a diameter of 250 mm. Except for the stress sample substrate which uses a 0.5mm thick 2-inch diameter silicon polished wafer, all other samples use the same batch of 0.75mm thick P(100) single crystal silicon polished wafers. A horizontal line is drawn on the substrate with a marker pen before deposition. Before deposition, the substrate is ultrasonically cleaned with acetone for 15 minutes and etched with a Kaufman argon ion gun for 5 minutes, with a fixed argon flow rate of 8mL/min and the same power supply parameters. During etching, the thickness standard is shielded with a cover. The arc current is set to 60A, and the background vacuum before deposition is 0.3mPa. During deposition, the vacuum will increase due to cathode outgassing.