淺論氣體壓強對金剛石薄膜質量的影響

 

孫鑫1 丁喜峰2 王文靜1

 

1. 燕山大學理學院實驗中心,秦皇島,河北,066004;

.燕山大學理學院應用物理系,秦皇島,河北,066004

 

  :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。研究了不同壓強對金剛石薄膜質量的影響。結果表明當氣氛壓強為9KPa時可獲得高質量的金剛石薄膜。

關鍵詞:金剛石(薄膜);MPCVD;氣體壓強;Raman光譜

中圖分類號:TB43         文獻標識碼:B

 

   1 概述

 

 金剛石在力、熱、光、電等方面有著非常優異的特性,在機械、聲學、光學、電子等領域有著廣泛地應用前景。但金剛石的價格十分昂貴,在實際應用中受到限制。隨著化學氣相沉積金剛石薄膜技術的發展,金剛石薄膜的一些性能指標已經達到了天然金剛石的水平,而化學氣相沉積法制備成本低廉,使得金剛石薄膜在各個領域的應用更加值得期待。

 本文采用微波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)制備金剛石薄膜,同其它的化學氣相沉積方法相比,微波等離子法制備的金剛石薄膜均勻性好、純度高,且可實現大面積的金剛石薄膜的制備。目前這一方法是獲得高質量金剛石薄膜的最佳方法。

 

   2 實驗部分

 

2.1 基片的預處理

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

 

把經過手工研磨、清洗后的Si片放入MPCVD實驗裝置的基片臺上,打開冷卻循環水,對腔體預抽真空;打開氫氣瓶向腔內通入氫氣,控制隔膜閥反復沖洗幾次腔體。打開質量流量控制器調節H2流量;用隔膜閥控制腔內壓強,打開高壓電源開關,緩慢調節微波功率調節旋鈕;調節三螺釘阻抗調配器及短路活塞調節鈕,使產生等離子體球位置合適,并使反射功率盡可能??;打開甲烷氣瓶,調節質量流量控制器控制CH4流量;形核時間2h,期間使用較大的CH4流量;再連續鍍膜8h后關閉儀器。金剛石膜樣品生長工藝參數見表1 

表1  金剛石膜樣品生長工藝參數

樣品

H2流量(ml/min)

CH4流量(ml/min)

反應腔壓強(KPa)

微波功率(W)

沉積時間

(h)

1#

200

1

3

800

8

2#

200

1

6

800

8

3#

200

1

9

800

8

 

2.3 樣品的測試

 

對鍍膜后的實驗樣品進行了測試分析,用激光顯微共焦拉曼光譜儀(型號:INVia;儀器廠商:英國Renishaw)測試了拉曼光譜;掃描電子顯微鏡(型號:S3400N;儀器廠商:日本日立)測試了表面形貌;X射線衍射儀(型號:D/MAX2500HB+/PC;儀器廠商:日本理學)測試了X射線衍射光譜。

   

    3 實驗結果及分析

 

在不改變其它參數的情況下(具體參數見表1中樣品1#、2#、3#),改變沉積薄膜時的壓強值,1#、2#、3#樣品的壓強值分別為3KPa、6KPa、9KPa。圖1為不同壓強下3個樣品的SEM圖。

在壓強為3KPa時(見圖1a),薄膜稀薄,有些地方未成連續的膜;晶粒尺寸較小。在壓強為6KPa時(見圖1b),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。在壓強為9KPa時(見圖1c),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個樣品的Raman光譜。3個樣品光譜中都在1332.2cm-1處存在較強的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(3KPa)非金剛石相的Raman峰鼓包較大,說明非金剛石相含量較多;氣壓增加到9KPa時,非金剛石相的峰位不再明顯,說明非金剛石相含量很低。


     

MPCVD法沉積金剛石膜,當反應室壓強較低時,含碳基團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,薄膜生長緩慢(見圖1a);壓強較低也使得氫原子的濃度較低,氫原子對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則、方向性差。當反應室壓強增加時,含碳基團和氫原子的濃度都得到較快提高。氫原子濃度的提高,對非金剛石相刻蝕效果增強,這樣晶形不規則及生長方向性差的石墨和非晶碳等非金剛石相的形核與生長得到抑制,促進以方向性強的金剛石晶粒為主的金剛石膜得以沉積。在改變沉積室壓強而使原子氫濃度發生變化與改變氣源系統中氫氣與含碳氣源比例所起的作用是不同的。改變氣源系統中氫與含碳氣體的比例,可以提高氣氛中原子氫的濃度,但同時導致含碳基團濃度的下降,使得受含碳基團濃度控制的金剛石形核密度降低,并使金剛石形核與生長困難、影響金剛石膜的沉積。改變沉積氣源系統的壓強是在不降低系統中含碳基團濃度的基礎上,提高了原于氫濃度,實際上增加沉積室壓強,同時發揮了原子氫和含碳基團這兩個重要沉積基團在沉積金剛石膜過程的作用。

 

   

 

   當反應室內壓強為3KPa時,晶粒尺寸較小,形核密度低,薄膜稀薄,非金剛石相含量相對較高;反應室內壓強為6KPa時,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;在壓強為9KPa時,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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