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淺論氣體壓強(qiáng)對(duì)金剛石薄膜質(zhì)量的影響
孫鑫1 丁喜峰2 王文靜1
（1. 燕山大學(xué)理學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，秦皇島，河北，066004；
2 .燕山大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，秦皇島，河北，066004）
摘 要：以甲烷、氫氣做為氣源，利用微波等離子氣相沉積的方法在硅片上沉積金剛石薄膜。研究了不同壓強(qiáng)對(duì)金剛石薄膜質(zhì)量的影響。結(jié)果表明當(dāng)氣氛壓強(qiáng)為9KPa時(shí)可獲得高質(zhì)量的金剛石薄膜。
關(guān)鍵詞：金剛石（薄膜）；MPCVD；氣體壓強(qiáng)；Raman光譜
中圖分類號(hào)：TB43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
1 概述
金剛石在力、熱、光、電等方面有著非常優(yōu)異的特性，在機(jī)械、聲學(xué)、光學(xué)、電子等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用前景。但金剛石的價(jià)格十分昂貴，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。隨著化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜技術(shù)的發(fā)展，金剛石薄膜的一些性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了天然金剛石的水平，而化學(xué)氣相沉積法制備成本低廉，使得金剛石薄膜在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用更加值得期待。
本文采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法（MPCVD）制備金剛石薄膜，同其它的化學(xué)氣相沉積方法相比，微波等離子法制備的金剛石薄膜均勻性好、純度高，且可實(shí)現(xiàn)大面積的金剛石薄膜的制備。目前這一方法是獲得高質(zhì)量金剛石薄膜的最佳方法。
2 實(shí)驗(yàn)部分
2.1 基片的預(yù)處理
取10mm×10mm單面拋光的Si片，首先放入去離子水中超聲10分鐘，然后用0.5μm的金剛石粉手工研磨30分鐘，再依次放入丙酮、乙醇、去離子水中超聲10～15分鐘。
2.2 薄膜制備
把經(jīng)過(guò)手工研磨、清洗后的Si片放入MPCVD實(shí)驗(yàn)裝置的基片臺(tái)上，打開(kāi)冷卻循環(huán)水，對(duì)腔體預(yù)抽真空；打開(kāi)氫氣瓶向腔內(nèi)通入氫氣，控制隔膜閥反復(fù)沖洗幾次腔體。打開(kāi)質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)H2流量；用隔膜閥控制腔內(nèi)壓強(qiáng)，打開(kāi)高壓電源開(kāi)關(guān)，緩慢調(diào)節(jié)微波功率調(diào)節(jié)旋鈕；調(diào)節(jié)三螺釘阻抗調(diào)配器及短路活塞調(diào)節(jié)鈕，使產(chǎn)生等離子體球位置合適，并使反射功率盡可能小；打開(kāi)甲烷氣瓶，調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器控制CH4流量；形核時(shí)間2h，期間使用較大的CH4流量；再連續(xù)鍍膜8h后關(guān)閉儀器。金剛石膜樣品生長(zhǎng)工藝參數(shù)見(jiàn)表1
表1 金剛石膜樣品生長(zhǎng)工藝參數(shù)
樣品 | H2流量（ml/min） | CH4流量（ml/min） | 反應(yīng)腔壓強(qiáng)（KPa） | 微波功率（W） | 沉積時(shí)間 （h） |
1# | 200 | 1 | 3 | 800 | 8 |
2# | 200 | 1 | 6 | 800 | 8 |
3# | 200 | 1 | 9 | 800 | 8 |
2.3 樣品的測(cè)試
對(duì)鍍膜后的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了測(cè)試分析，用激光顯微共焦拉曼光譜儀（型號(hào)：INVia；儀器廠商：英國(guó)Renishaw）測(cè)試了拉曼光譜；掃描電子顯微鏡（型號(hào)：S3400N；儀器廠商：日本日立）測(cè)試了表面形貌；X射線衍射儀（型號(hào)：D/MAX2500HB+/PC；儀器廠商：日本理學(xué)）測(cè)試了X射線衍射光譜。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
在不改變其它參數(shù)的情況下（具體參數(shù)見(jiàn)表1中樣品1#、2#、3#），改變沉積薄膜時(shí)的壓強(qiáng)值，1#、2#、3#樣品的壓強(qiáng)值分別為3KPa、6KPa、9KPa。圖1為不同壓強(qiáng)下3個(gè)樣品的SEM圖。
在壓強(qiáng)為3KPa時(shí)（見(jiàn)圖1（a）），薄膜稀薄，有些地方未成連續(xù)的膜；晶粒尺寸較小。在壓強(qiáng)為6KPa時(shí)（見(jiàn)圖1（b）），薄膜致密性好；晶粒尺寸較大；晶粒的棱角分明、刻面清晰，晶粒的大小均勻。在壓強(qiáng)為9KPa時(shí)（見(jiàn)圖1（c）），薄膜致密性很好；晶粒的尺寸很大，晶粒棱角十分很分明，刻面十分清晰，大小均勻。
圖2為3個(gè)樣品的Raman光譜。3個(gè)樣品光譜中都在1332.2cm-1處存在較強(qiáng)的Raman峰，這是金剛石相的特征峰，在1500cm-1 附近存在寬化的非金剛石峰。隨著沉積氣壓的增大，金剛石薄膜中非金剛石相減少，金剛石膜純度增加。低氣壓時(shí)（3KPa）非金剛石相的Raman峰鼓包較大，說(shuō)明非金剛石相含量較多；氣壓增加到9KPa時(shí)，非金剛石相的峰位不再明顯，說(shuō)明非金剛石相含量很低。 MPCVD法沉積金剛石膜，當(dāng)反應(yīng)室壓強(qiáng)較低時(shí)，含碳基團(tuán)和氫原子的濃度較低，含碳濃度低使得金剛石膜形核密度不高。晶粒尺寸較小，薄膜生長(zhǎng)緩慢（見(jiàn)圖1（a））；壓強(qiáng)較低也使得氫原子的濃度較低，氫原子對(duì)非金剛石相的刻蝕作用減弱，金剛石薄膜中存在大量非金剛石成分，薄膜中晶體晶形不規(guī)則、方向性差。當(dāng)反應(yīng)室壓強(qiáng)增加時(shí)，含碳基團(tuán)和氫原子的濃度都得到較快提高。氫原子濃度的提高，對(duì)非金剛石相刻蝕效果增強(qiáng)，這樣晶形不規(guī)則及生長(zhǎng)方向性差的石墨和非晶碳等非金剛石相的形核與生長(zhǎng)得到抑制，促進(jìn)以方向性強(qiáng)的金剛石晶粒為主的金剛石膜得以沉積。在改變沉積室壓強(qiáng)而使原子氫濃度發(fā)生變化與改變氣源系統(tǒng)中氫氣與含碳?xì)庠幢壤鸬淖饔檬遣煌?。改變氣源系統(tǒng)中氫與含碳?xì)怏w的比例，可以提高氣氛中原子氫的濃度，但同時(shí)導(dǎo)致含碳基團(tuán)濃度的下降，使得受含碳基團(tuán)濃度控制的金剛石形核密度降低，并使金剛石形核與生長(zhǎng)困難、影響金剛石膜的沉積。改變沉積氣源系統(tǒng)的壓強(qiáng)是在不降低系統(tǒng)中含碳基團(tuán)濃度的基礎(chǔ)上，提高了原于氫濃度，實(shí)際上增加沉積室壓強(qiáng)，同時(shí)發(fā)揮了原子氫和含碳基團(tuán)這兩個(gè)重要沉積基團(tuán)在沉積金剛石膜過(guò)程的作用。 結(jié)語(yǔ) 當(dāng)反應(yīng)室內(nèi)壓強(qiáng)為3KPa時(shí)，晶粒尺寸較小，形核密度低，薄膜稀薄，非金剛石相含量相對(duì)較高；反應(yīng)室內(nèi)壓強(qiáng)為6KPa時(shí)，金剛石相的含量有所提高，形成的金剛石晶粒尺寸較大，晶粒的棱角分明、刻面清晰，晶粒的大小均勻，薄膜致密性好；在壓強(qiáng)為9KPa時(shí)，非金剛石相含量最低，形成的金剛石晶粒的尺寸很大，晶粒棱角十分很分明，刻面十分清晰，大小均勻，薄膜致密性很好。
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