浅论气体压强对金刚石薄膜质量的影响
摘 要：以甲烷、氢气做为气源，利用微波等离子气相沉积的方法在硅片上沉积金刚石薄膜。研究了不同压强对金刚石薄膜质量的影响。结果表明当气氛压强为9KPa时可获得高质量的金刚石薄膜。
关键词：金刚石（薄膜）；MPCVD；气体压强；Raman光谱
中图分类号：TB43 文献标识码：B
1 概述
金刚石在力、热、光、电等方面有着非常优异的特性，在机械、声学、光学、电子等领域有着广泛地应用前景。但金刚石的价格十分昂贵，在实际应用中受到限制。随着化学气相沉积金刚石薄膜技术的发展，金刚石薄膜的一些性能指标已经达到了天然金刚石的水平，而化学气相沉积法制备成本低廉，使得金刚石薄膜在各个领域的应用更加值得期待。
本文采用微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）制备金刚石薄膜，同其它的化学气相沉积方法相比，微波等离子法制备的金刚石薄膜均匀性好、纯度高，且可实现大面积的金刚石薄膜的制备。目前这一方法是获得高质量金刚石薄膜的最佳方法。
2 实验部分
2.1 基片的预处理
取10mm×10mm单面抛光的Si片，首先放入去离子水中超声10分钟，然后用 的金刚石粉手工研磨30分钟，再依次放入丙酮、乙醇、去离子水中超声10～15分钟。
2.2 薄膜制备
把经过手工研磨、清洗后的Si片放入MPCVD实验装置的基片台上，打开冷却循环水，对腔体预抽真空；打开氢气瓶向腔内通入氢气，控制隔膜阀反复冲洗几次腔体。打开质量流量控制器调节H2流量；用隔膜阀控制腔内压强，打开高压电源开关，缓慢调节微波功率调节旋钮；调节三螺钉阻抗调配器及短路活塞调节钮，使产生等离子体球位置合适，并使反射功率尽可能小；打开甲烷气瓶，调节质量流量控制器控制CH4流量；形核时间2小时，期间使用较大的CH4流量；再连续镀膜8小时后关闭仪器。金刚石膜样品生长工艺参数见表1
2.3 样品的测试
对镀膜后的实验样品进行了测试分析，用激光显微共焦拉曼光谱仪（型号：INVia；仪器厂商：英国Renishaw）测试了拉曼光谱；扫描电子显微镜（型号：S3400N；仪器厂商：日本日立）测试了表面形貌；X射线衍射仪（型号：D/MAX2500HB+/PC；仪器厂商：日本理学）测试了X射线衍射光谱。
3 实验结果及分析
在不改变其它参数的情况下（具体参数见表1中样品1#、2#、3#），改变沉积薄膜时的压强值，1#、2#、3#样品的压强值分别为3KPa、6KPa、9KPa。图1为不同压强下3个样品的SEM图。
在压强为3KPa时（见图1（a）），薄膜稀薄，有些地方未成连续的膜；晶粒尺寸较小。在压强为6KPa时（见图1（b）），薄膜致密性好；晶粒尺寸较大；晶粒的棱角分明、刻面清晰，晶粒的大小均匀。在压强为9KPa时（见图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，大小均匀。
图2为3个样品的Raman光谱。3个样品光谱中都在1332.2cm-1处存在较强的Raman峰，这是金刚石相的特征峰，在1500cm-1 附近存在宽化的非金刚石峰。随着沉积气压的增大，金刚石薄膜中非金刚石相减少，金刚石膜纯度增加。低气压时（3KPa）非金刚石相的Raman峰鼓包较大，说明非金刚石相含量较多；气压增加到9KPa时，非金刚石相的峰位不再显，说明非金刚石相含量很低。
MPCVD法沉积金刚石膜，当反应室压强较低时，含碳基团和氢原子的浓度较低，含碳浓度低使得金刚石膜形核密度不高。晶粒尺寸较小，薄膜生长缓慢（见图1（a））；压强较低也使得氢原子的浓度较低，氢原子对非金刚石相的刻蚀作用减弱，金刚石薄膜中存在大量非金刚石成分，薄膜中晶体晶形不规则、方向性差。当反应室压强增加时，含碳基团和氢原子的浓度都得到较快提高。氢原子浓度的提高，对非金刚石相刻蚀效果增强，这样晶形不规则及生长方向性差的石墨和非晶碳等非金刚石相的形核 与生长得到抑制，促进以方向性强的金刚石晶粒为主的金刚石膜得以沉积。在改变沉积室压强而使原子氢浓度发生变化与改变气源系统中氢气与含碳气源比例所起的作用是不同的。改变气源系统中氢与含碳气体的比例，可以提高气氛中原子氢的浓度，但同时导致含碳基团浓度的下降，使得受含碳基团浓度控制的金刚石形核密度降低，并使金刚石形核与生长困难、影响金刚石膜的沉积。改变沉积气源系统的压强是在不降低系统中含碳基团浓度的基础上，提高了原于氢浓度，实际上增加沉积室压强，同时发挥了原子氢和含碳基团这两个重要沉积基团在沉积金刚石膜过程的作用。
结语
当反应室内压强为3KPa时，晶粒尺寸较小，形核密度低，薄膜稀薄，非金刚石相含量相对较高；反应室内压强为6KPa时，金刚石相的含量有所提高，形成的金刚石晶粒尺寸较大，晶粒的棱角分明、刻面清晰，晶粒的大小均匀，薄膜致密性好；在压强为9KPa时，非金刚石相含量最低，形成的金刚石晶粒的尺寸很大，晶粒棱角十分很分明，刻面十分清晰，大小均匀，薄膜致密性很好。
参考文献
[1]S.Schwarz， C.Rottmair， J. Hirmke et， CVD-diamond single-crystal growth[J].Journal of Crystal Growth.，2004，271（3-4）：425-434.
[2]Sternschulte H.， Bauer T.， Schreck M.， Stritzker B. Comparison of MWPCVD diamond growth at low and high process gas pressures[J].Diamond and Related Materials， 2006，15 （4-8）：542-547.
[3]李晓红，郭晚土，陈学康，吴敢，杨建平，王瑞，曹生珠，余荣.微波化学气相沉积中气压对金刚石薄膜生长速率和质量的影响[J].物理学报.2007，56（12）：7183-7187.
[4]Li X.， Perkins J.， Collazo R.， Nemanich R.J.， Sitar Z. Investigation of the effect of the total pressure and methane concentration on the growth rate and quality of diamond thin films grown by MPCVD[J].Diamond and Related Materials， 2006，15 （11-12）：1784-1788.
[5]M frenlach， The Role of Hydrogen in Vapor Deposition of Diamond[J]. J Appl Phys，1989，65（12）：5142-5149.
[6]Teraji T， Hamada M.， Wada H.， Yamamoto M.， Ito T.，High-quality homoepitaxial diamond （100）films grown under high-rate growth condition[J].Diamond and Related Materials， 2005， 14 （11-12）：1747-1752.
[7]Kang J.， Xiao C.， Xiong Y.，et al. Diamond nucleation and growth under very low-pressure conditions[J].Diamond and Related Materials， 2000，9 （9）：1691-1695.
[8]Naseem H.A.， Haque M.S.， Khan M.A.， Malshe A.P.， Brown W.D. High pressure high power microwave plasma chemical vapor deposition of large area diamond films[J]Thin Solid Films， 1997，308-309 （1-4）：141-146.
[9]Y K Kim and J K Lee. Formation of highly oriented diamond film on （100）silicon[J].J Appl Phys，1997，81（8）：3660-3666.