形核密度对金刚石薄膜表面形貌及其质量的影响

2013-09-21 罗曼 武汉工程大学

  在2kW 微波等离子体化学气相沉积( MPCVD) 装置中,采用CH4和H2作气源,在最佳生长工艺参数条件下,可重复制备出高质量的金刚石薄膜。金刚石薄膜晶粒表面平滑,无二次形核,晶粒取向单一,薄膜致密性好,而且金刚石拉曼峰的半高宽( FWHM) 为7.5 cm-1 左右,接近异质外延CVD 金刚石膜中FWHM 的最小值。在研究中用硅片做基底,分别在不同形核密度条件下进行金刚石薄膜的生长,从而进行形核密度对金刚石薄膜质量,晶粒取向以及薄膜表面形貌影响的研究。研究结果表明在合适的生长条件下,形核密度对金刚石薄膜的表面形貌影较小,但对其质量有一定的影响。

1、引言

  金刚石薄膜具有硬度高、热导性好、热膨胀系数小、声传播速度快以及禁带宽度大、摩擦系数低、抗腐蚀性好等一系列优异的物理化学性能,使得在机械、光学、微电子、生物医学、航天航空、核能等许多高新技术领域有着广阔的应用前景。化学气相沉积(CVD) 的金刚石因与天然金刚石具有相近的优异性能,从而受到各领域的广泛关注。目前,人们对金刚石异质外延生长的薄膜进行了广泛的研究,在低压气相合成金刚石薄膜方法中微波等离子体化学气相沉积法( MPCVD) 是目前应用最普遍、工艺最成熟的方法。MPCVD 法具有沉积温度低、不存在电极污染、放电区域集中、工作稳定、沉积速度快、有利于核的形成等优点,因此在沉积高质量金刚石膜,如光学级金刚石膜方面显示出了极大的优势。MPCVD 法主要是通过在微波的激励下,在反应室内产生辉光放电,使反应气体的分子离化,产生等离子体,在衬底上沉积得到金刚石膜。金刚石薄膜的沉积分为形核和生长两个阶段,形核是异质外延金刚石膜中非常重要的一步,直接影响着沉积所得金刚石薄膜的性能,如晶粒尺寸、定向生长、附着力、透明度和粗糙度等。在此阶段,CH4和H2气体通过等离子体作用离化为大量的含碳基团和原子氢,原子氢能够刻蚀sp2 杂化碳键,在这些基团和原子的共同作用下在沉积基体上形成一定数量孤立的以sp3 杂化碳键结合为主的金刚石晶核。第二阶段是金刚石生长阶段,晶粒进入生长期后就不再形核,而是形成的金刚石晶核不断长大,沿垂直方向生长成一定厚度的金刚石膜。

  虽然目前CVD 金刚石膜的制备和应用已经取得了很大的进展,但仍然存在一些实际问题,多晶金刚石膜中的杂质和缺陷将直接影响光学级金刚石膜的质量,导致其距离在光学及电子学等领域的应用还有一定的差距。通过对金刚石形核密度的研究可以很好地控制金刚石膜的生长及其质量,主要讨论形核密度对金刚石薄膜表面形貌及薄膜质量的影响。

2、实验条件与方法

  实验中使用的是由韩国Woosinent 公司所制造的,最大输出功率为2 kW,R2.0 系统的MPCVD 装置。与其他MPCVD 设备相比,该装置基片台下设计有加热盘,可对基片台进行加热使基片温度稳定在一个合适的范围内,从而可更准确的控制实验过程中的基片温度。实验选用4 片1 cm×1 cm 的单面抛光的单晶硅片做基片,在金刚石薄膜沉积之前先用0. 5 μm 的金刚石粉进行机械研磨,再用丙酮进行超声清洗5 min 对基片进行预处理。经过预处理的1 号样品放入腔体中,采用氢气和甲烷作气源,所有样品在单位制下,其流量比H2 /CH4 = 200 /7.0,微波功率1 618 W,工作气压5 054 Pa,基片温度大约在810 ℃。形核30 min 后观察基片表面有一层很薄的金刚石膜,呈现深灰色。2 号样品在H2 /CH4 = 200 /6.0,其他参数同样品1 的条件下形核20 min,观察其表面可见连续彩膜,呈现紫红色的光。3 号样品在H2 /CH4 = 200 /5.0,其他参数不变条件下形核10 min,观察其表面未见连续彩膜,且为基片颜色。将形核完成的1、2、3 号样品以及未形核的4 号样品按顺序放入腔体中进行生长,生长参数如表1 所示。

表1 金刚石薄膜形核及生长工艺参数

金刚石薄膜形核及生长工艺参数

  沉积得到的金刚石薄膜分别用扫描电子显微镜(SEM) 对其进行表面形貌表征; 用Renishaw 公司生产的RM-1000 型激光拉曼光谱仪对薄膜的成分以及生长质量进行检测,激光波长为532nm,其分辨率为4 cm1 ;用D/max-rA型X 射线衍射仪(XRD) 来表征金刚石膜的晶体形态。

结论

  在实验2 kW 的MPCVD 装置中采用CH4和H2作气源,可获得金刚石薄膜的最佳生长工艺参数。在相同的生长参数条件下,较高形核密度和较低形核密度以及未形核直接生长的条件下都能制备出表面平整,晶体形貌明显,致密性和结晶度较好的高质量的金刚石薄膜。不同形核密度下制备的金刚石薄膜均为(111)面,形核密度越高,金刚石拉曼峰的半高宽(FWHM) 越大,薄膜质量越差。研究结果表明在合适的生长条件下,形核密度对金刚石薄膜的表面形貌影响较小,但对其质量有较大的影响。