熱絲CVD沉積金剛石膜

1、實(shí)驗(yàn)：熱絲CVD沉積金剛石膜一、原理：在預(yù)抽真空的腔體中，碳?xì)浠衔餁怏w和氫氣通過高溫?zé)峤z裂解，在基體上沉積金剛石薄膜。主要特 點(diǎn)是：1熱絲提供的高能量密度足夠產(chǎn)生一些重要的活性基CH3、C2H2、原子H等；2使用的碳?xì)浠衔锓N類并不十分重要，許多碳?xì)浠衔锞勺鳛樘荚矗?基體溫度約600-1000C； 4依靠饋入氣相中 C, H或O的比率不同，沉積出具有少量或沒有非金剛石相碳的從納米晶金剛石到單晶金剛石的沉積物，與使用的氣相碳源的種類無關(guān)。由熱力學(xué)理論可知，低壓沉積的金剛石是在石墨的穩(wěn)態(tài)區(qū)、金剛石的亞穩(wěn)區(qū)生成。而在自然狀態(tài)，作為碳的一種結(jié)晶形態(tài)，金剛石是亞穩(wěn)態(tài)，石墨是穩(wěn)態(tài)，由于金剛石和石墨的

2、自由能在常 溫下的化學(xué)位十分接近，二者的自由能差只有0.03eV。然而，二者之間有很高的勢(shì)壘，由熱力學(xué)可知，如果活化能壘遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)相，則亞穩(wěn)相能由具有高化學(xué)位的前驅(qū)物獲得，亞穩(wěn)相一旦形成，由于缺少必要的 能量翻越能壘，亞穩(wěn)相將不能轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相。因而在常溫下金剛石與石墨之間的熱力學(xué)相變不能進(jìn)行。但 當(dāng)碳被活化到其化學(xué)位超過石墨與金剛石之間的能壘高度時(shí)，就能同時(shí)沉積石墨碳與金剛石相碳，因此， 金剛石的化學(xué)氣相沉積過程實(shí)際上是一個(gè)金剛石沉積與石墨沉積相競(jìng)爭(zhēng)的過程。金剛石沉積的兩個(gè)關(guān)鍵問 題是氣相的活化與石墨相的抑制與刻蝕問題?；罨捎脽峤z方法能使氣相活化，而金剛石沉積過程中，石 墨相的抑制與刻蝕則主

3、要依靠原子H的作用。由于原子 H刻蝕石墨的速率遠(yuǎn)高于刻蝕金剛石的速率（兩者相差約50倍），因此，只要有大量的原子 H存在，在基體上最終留下的將是亞穩(wěn)態(tài)的金剛石。在形核和 生長(zhǎng)過程中可能產(chǎn)生的石墨或其他形式的非金剛石相碳要么被抑制，要么被刻蝕掉了。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?掌握熱絲CVD沉積金剛石膜的原理；2熟悉熱絲CVD裝置的原理、構(gòu)造及操作規(guī)程;3 了解金剛石薄膜的表征方法、實(shí)驗(yàn)原材料：硅片，丙酮，氫氣，鉭絲四、主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備：熱絲CVD沉積裝置，掃描電子顯微鏡，光學(xué)顯微鏡，光學(xué)高溫計(jì)本實(shí)驗(yàn)采用電子增強(qiáng)熱絲化學(xué)氣相沉積裝置，直徑為300mm的不銹鋼鐘罩作為反應(yīng)室，基片臺(tái)是邊長(zhǎng)100mm的不銹鋼水冷基片臺(tái)，其

4、上放置厚石墨盤，為保護(hù)石墨盤 在金剛石薄膜生長(zhǎng)過程中不被原子氫刻蝕，在石墨盤上放等直徑的厚4mm的鉬板，鉬板上再放置一片厚度為 2mm , 直徑6mm的銅板，樣品放置其上。熱絲為直徑為0.4mm的Ta絲，Ta絲溫度采用光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、熱絲（Ta絲）碳化熱絲（Ta絲）在使用前先進(jìn)行碳化， 碳化的目的主要是清 潔鉭絲表面，使鉭絲碳化為碳化鉭，防止在金剛石形核時(shí)， 消耗碳源，有利于穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，此外，高溫碳化還可讓 鉭絲拉直以便準(zhǔn)確的測(cè)定鉭絲與刀具的距離。2、樣品預(yù)處理樣品經(jīng)過金剛石粉研磨表、清洗，然后干燥備用；或表面清洗以及金剛石粉超聲波處理、清洗、干燥；3、形核形核時(shí)選擇較低的

5、氣壓及較高的碳源濃度，以便碳原子在基體表面遷移、聚集而形核；典型的形核條件：21V、H2： （ H2+CH3COCH3）=160 : 70，氣壓：I.OkPa，時(shí)間：3-4 分鐘，4、金剛石膜生長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)選擇較高的氣壓及較低的碳源濃度，提高生長(zhǎng)速度，同時(shí)控制金剛石膜質(zhì)量.典型的生長(zhǎng)條件：20V、H2： （ H2+ CH3COCH3）=160 : 50，氣壓：3-6kPa，時(shí)間：34 小時(shí)。Raman光譜檢測(cè)金剛石膜的5、質(zhì)量檢測(cè)使用掃描電子顯微鏡，光學(xué)顯微鏡觀察金剛石膜的結(jié)晶情況以及顯露的晶型,圖1 SEM圖圖2 Raman譜5圖片是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要自己分析，報(bào)告中不能沒有結(jié)果。分析要點(diǎn)：分析時(shí)參考

6、下面知識(shí)點(diǎn)，自己分析，嚴(yán)禁相互抄襲。光學(xué)觀察：肉眼觀察膜呈表面灰色，光學(xué)顯微鏡觀察有反光亮點(diǎn)，為晶面反光Rama n：金剛石特征峰峰位為1332cm-1，壓應(yīng)力使峰位向高波數(shù)方向移動(dòng)，根據(jù)峰位移動(dòng)大小可判斷沉積的金剛石膜的內(nèi)應(yīng)力大小。內(nèi)應(yīng)力包括熱應(yīng)力和本征應(yīng)力，本征應(yīng)力主要由夾雜、晶體缺陷等產(chǎn)生。1580 cm-1附近峰是非金剛石相碳的特征峰，Raman譜對(duì)其靈敏度是金剛石的50倍。SEM :主要分析結(jié)晶質(zhì)量和主要顯露晶面。金剛石鍵能高，主要顯露（100）和（111）面，（100）面呈正方形；（111）面呈三角形。很多情況下，受生長(zhǎng)條件影響，晶面發(fā)育不全，不是標(biāo)準(zhǔn)的三角或正方形，但 可以大致看

7、出其輪廓，上圖主顯（111）面與其他材料一樣，金剛石膜中的內(nèi)應(yīng)力C也是熱應(yīng)力（T th和本征應(yīng)力（T in的和，即（T = T th+ t in熱應(yīng)力可以有金剛石基底的熱膨脹系數(shù)求出:thT0()dT式中：卩是金剛石的彈性模量，E/1 卩為金剛石的雙軸彈性模量，T為沉積溫度，To為測(cè) 量時(shí)的沉積溫度（一般為室溫），a f和a s分別為金剛石薄膜和基底的熱膨脹系數(shù)。在制備金 剛石薄膜的溫度范圍內(nèi)，熱應(yīng)力值變化不大，較穩(wěn)定。本征應(yīng)力主要是由膜中的雜質(zhì)等引起的， 而張應(yīng)力是由膜中的空位、位錯(cuò)、晶粒間失配等缺陷形成的。膜中的非金剛石的碳、石墨相及 氫的存在形成壓應(yīng)力，而晶格失配、空位等引起張應(yīng)力，從廣

8、義上講凡是會(huì)影響到金剛石薄膜 質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)的因素，都會(huì)影響到其內(nèi)應(yīng)力。但目前，國(guó)內(nèi)外的研究者主要研究了金剛石膜的制備工藝對(duì)膜內(nèi)應(yīng)力的影響，如：碳源濃度、襯底溫度、晶粒線度、偏壓等。結(jié)果表明：內(nèi)應(yīng)力與制備條件密切相關(guān)，為使CVD金剛石膜內(nèi)應(yīng)力盡量減小，應(yīng)對(duì)制備工藝參數(shù)進(jìn)行總結(jié)和優(yōu)化。金剛石內(nèi)應(yīng)力分析化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜 Raman譜一般包含以下三部分：（1）位于1332.5cm-1附近的金 剛石特征峰，具有明銳的峰形。（2）非金剛石相的貢獻(xiàn)，當(dāng)石墨相的含量足夠低的時(shí)候，表 現(xiàn)為由SP2結(jié)構(gòu)無定形碳而形成的1550cm1附近峰包。（3）還有一個(gè)涉及整個(gè)測(cè)量范圍的光 致發(fā)光背景疊加在Raman光譜之上。Rama光譜是一種利用光于與分子之間發(fā)生非彈性散射獲得散射光譜，從而研究分子或物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的光譜技術(shù)，是目前表征金剛石薄膜質(zhì)量最為有效的分析方法之一。天然金剛石 單晶的一階Rama譜約在1332cm-1處有一尖銳峰。受到應(yīng)力時(shí)，金剛石的Rama峰發(fā)生移動(dòng)，張 應(yīng)力使1332cm峰向低波數(shù)漂移，壓應(yīng)力使1332cm1峰向高波