在2kW 微波等離子體化學(xué)氣相沉積( MPCVD) 裝置中，采用CH4和H2作氣源，在最佳生長(zhǎng)工藝參數(shù)條件下，可重復(fù)制備出高質(zhì)量的金剛石薄膜。金剛石薄膜晶粒表面平滑，無(wú)二次形核，晶粒取向單一，薄膜致密性好，而且金剛石拉曼峰的半高寬( FWHM) 為7.5 cm^-1 左右，接近異質(zhì)外延CVD 金剛石膜中FWHM 的最小值。在研究中用硅片做基底，分別在不同形核密度條件下進(jìn)行金剛石薄膜的生長(zhǎng)，從而進(jìn)行形核密度對(duì)金剛石薄膜質(zhì)量，晶粒取向以及薄膜表面形貌影響的研究。研究結(jié)果表明在合適的生長(zhǎng)條件下，形核密度對(duì)金剛石薄膜的表面形貌影較小，但對(duì)其質(zhì)量有一定的影響。

1、引言

　　金剛石薄膜具有硬度高、熱導(dǎo)性好、熱膨脹系數(shù)小、聲傳播速度快以及禁帶寬度大、摩擦系數(shù)低、抗腐蝕性好等一系列優(yōu)異的物理化學(xué)性能，使得在機(jī)械、光學(xué)、微電子、生物醫(yī)學(xué)、航天航空、核能等許多高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。化學(xué)氣相沉積(CVD) 的金剛石因與天然金剛石具有相近的優(yōu)異性能，從而受到各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。目前，人們對(duì)金剛石異質(zhì)外延生長(zhǎng)的薄膜進(jìn)行了廣泛的研究，在低壓氣相合成金剛石薄膜方法中微波等離子體化學(xué)氣相沉積法( MPCVD) 是目前應(yīng)用最普遍、工藝最成熟的方法。MPCVD 法具有沉積溫度低、不存在電極污染、放電區(qū)域集中、工作穩(wěn)定、沉積速度快、有利于核的形成等優(yōu)點(diǎn)，因此在沉積高質(zhì)量金剛石膜，如光學(xué)級(jí)金剛石膜方面顯示出了極大的優(yōu)勢(shì)。MPCVD 法主要是通過(guò)在微波的激勵(lì)下，在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生輝光放電，使反應(yīng)氣體的分子離化，產(chǎn)生等離子體，在襯底上沉積得到金剛石膜。金剛石薄膜的沉積分為形核和生長(zhǎng)兩個(gè)階段，形核是異質(zhì)外延金剛石膜中非常重要的一步，直接影響著沉積所得金剛石薄膜的性能，如晶粒尺寸、定向生長(zhǎng)、附著力、透明度和粗糙度等。在此階段，CH4和H2氣體通過(guò)等離子體作用離化為大量的含碳基團(tuán)和原子氫，原子氫能夠刻蝕sp2 雜化碳鍵，在這些基團(tuán)和原子的共同作用下在沉積基體上形成一定數(shù)量孤立的以sp3 雜化碳鍵結(jié)合為主的金剛石晶核。第二階段是金剛石生長(zhǎng)階段，晶粒進(jìn)入生長(zhǎng)期后就不再形核，而是形成的金剛石晶核不斷長(zhǎng)大，沿垂直方向生長(zhǎng)成一定厚度的金剛石膜。

　　雖然目前CVD 金剛石膜的制備和應(yīng)用已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但仍然存在一些實(shí)際問(wèn)題，多晶金剛石膜中的雜質(zhì)和缺陷將直接影響光學(xué)級(jí)金剛石膜的質(zhì)量，導(dǎo)致其距離在光學(xué)及電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用還有一定的差距。通過(guò)對(duì)金剛石形核密度的研究可以很好地控制金剛石膜的生長(zhǎng)及其質(zhì)量，主要討論形核密度對(duì)金剛石薄膜表面形貌及薄膜質(zhì)量的影響。

2、實(shí)驗(yàn)條件與方法

　　實(shí)驗(yàn)中使用的是由韓國(guó)Woosinent 公司所制造的，最大輸出功率為2 kW，R2.0 系統(tǒng)的MPCVD 裝置。與其他MPCVD 設(shè)備相比，該裝置基片臺(tái)下設(shè)計(jì)有加熱盤，可對(duì)基片臺(tái)進(jìn)行加熱使基片溫度穩(wěn)定在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，從而可更準(zhǔn)確的控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的基片溫度。實(shí)驗(yàn)選用4 片1 cm×1 cm 的單面拋光的單晶硅片做基片，在金剛石薄膜沉積之前先用0. 5 μm 的金剛石粉進(jìn)行機(jī)械研磨，再用丙酮進(jìn)行超聲清洗5 min 對(duì)基片進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的1 號(hào)樣品放入腔體中，采用氫氣和甲烷作氣源，所有樣品在單位制下，其流量比H2 /CH4 = 200 /7.0，微波功率1 618 W，工作氣壓5 054 Pa，基片溫度大約在810 ℃。形核30 min 后觀察基片表面有一層很薄的金剛石膜，呈現(xiàn)深灰色。2 號(hào)樣品在H2 /CH4 = 200 /6.0，其他參數(shù)同樣品1 的條件下形核20 min，觀察其表面可見連續(xù)彩膜，呈現(xiàn)紫紅色的光。3 號(hào)樣品在H2 /CH4 = 200 /5.0，其他參數(shù)不變條件下形核10 min，觀察其表面未見連續(xù)彩膜，且為基片顏色。將形核完成的1、2、3 號(hào)樣品以及未形核的4 號(hào)樣品按順序放入腔體中進(jìn)行生長(zhǎng)，生長(zhǎng)參數(shù)如表1 所示。

表1 金剛石薄膜形核及生長(zhǎng)工藝參數(shù)

　　沉積得到的金剛石薄膜分別用掃描電子顯微鏡(SEM) 對(duì)其進(jìn)行表面形貌表征; 用Renishaw 公司生產(chǎn)的RM-1000 型激光拉曼光譜儀對(duì)薄膜的成分以及生長(zhǎng)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，激光波長(zhǎng)為532nm，其分辨率為4 cm1 ;用D/max-rA型X 射線衍射儀(XRD) 來(lái)表征金剛石膜的晶體形態(tài)。

結(jié)論

　　在實(shí)驗(yàn)2 kW 的MPCVD 裝置中采用CH4和H2作氣源，可獲得金剛石薄膜的最佳生長(zhǎng)工藝參數(shù)。在相同的生長(zhǎng)參數(shù)條件下，較高形核密度和較低形核密度以及未形核直接生長(zhǎng)的條件下都能制備出表面平整，晶體形貌明顯，致密性和結(jié)晶度較好的高質(zhì)量的金剛石薄膜。不同形核密度下制備的金剛石薄膜均為(111)面，形核密度越高，金剛石拉曼峰的半高寬(FWHM) 越大，薄膜質(zhì)量越差。研究結(jié)果表明在合適的生長(zhǎng)條件下，形核密度對(duì)金剛石薄膜的表面形貌影響較小，但對(duì)其質(zhì)量有較大的影響。