在2kW 微波等離子體化學(xué)氣相沉積( MPCVD) 裝置中，采用CH4和H2作氣源，在最佳生長工藝參數(shù)條件下，可重復(fù)制備出高質(zhì)量的金剛石薄膜。金剛石薄膜晶粒表面平滑，無二次形核，晶粒取向單一，薄膜致密性好，而且金剛石拉曼峰的半高寬( FWHM) 為7.5 cm^-1 左右，接近異質(zhì)外延CVD 金剛石膜中FWHM 的最小值。在研究中用硅片做基底，分別在不同形核密度條件下進(jìn)行金剛石薄膜的生長，從而進(jìn)行形核密度對金剛石薄膜質(zhì)量，晶粒取向以及薄膜表面形貌影響的研究。研究結(jié)果表明在合適的生長條件下，形核密度對金剛石薄膜的表面形貌影較小，但對其質(zhì)量有一定的影響。

1、引言

　　金剛石薄膜具有硬度高、熱導(dǎo)性好、熱膨脹系數(shù)小、聲傳播速度快以及禁帶寬度大、摩擦系數(shù)低、抗腐蝕性好等一系列優(yōu)異的物理化學(xué)性能，使得在機械、光學(xué)、微電子、生物醫(yī)學(xué)、航天航空、核能等許多高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景�；瘜W(xué)氣相沉積(CVD) 的金剛石因與天然金剛石具有相近的優(yōu)異性能，從而受到各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。目前，人們對金剛石異質(zhì)外延生長的薄膜進(jìn)行了廣泛的研究，在低壓氣相合成金剛石薄膜方法中微波等離子體化學(xué)氣相沉積法( MPCVD) 是目前應(yīng)用最普遍、工藝最成熟的方法。MPCVD 法具有沉積溫度低、不存在電極污染、放電區(qū)域集中、工作穩(wěn)定、沉積速度快、有利于核的形成等優(yōu)點，因此在沉積高質(zhì)量金剛石膜，如光學(xué)級金剛石膜方面顯示出了極大的優(yōu)勢。MPCVD 法主要是通過在微波的激勵下，在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生輝光放電，使反應(yīng)氣體的分子離化，產(chǎn)生等離子體，在襯底上沉積得到金剛石膜。金剛石薄膜的沉積分為形核和生長兩個階段，形核是異質(zhì)外延金剛石膜中非常重要的一步，直接影響著沉積所得金剛石薄膜的性能，如晶粒尺寸、定向生長、附著力、透明度和粗糙度等。在此階段，CH4和H2氣體通過等離子體作用離化為大量的含碳基團和原子氫，原子氫能夠刻蝕sp2 雜化碳鍵，在這些基團和原子的共同作用下在沉積基體上形成一定數(shù)量孤立的以sp3 雜化碳鍵結(jié)合為主的金剛石晶核。第二階段是金剛石生長階段，晶粒進(jìn)入生長期后就不再形核，而是形成的金剛石晶核不斷長大，沿垂直方向生長成一定厚度的金剛石膜。

　　雖然目前CVD 金剛石膜的制備和應(yīng)用已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但仍然存在一些實際問題，多晶金剛石膜中的雜質(zhì)和缺陷將直接影響光學(xué)級金剛石膜的質(zhì)量，導(dǎo)致其距離在光學(xué)及電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用還有一定的差距。通過對金剛石形核密度的研究可以很好地控制金剛石膜的生長及其質(zhì)量，主要討論形核密度對金剛石薄膜表面形貌及薄膜質(zhì)量的影響。

2、實驗條件與方法

　　實驗中使用的是由韓國Woosinent 公司所制造的，最大輸出功率為2 kW，R2.0 系統(tǒng)的MPCVD 裝置。與其他MPCVD 設(shè)備相比，該裝置基片臺下設(shè)計有加熱盤，可對基片臺進(jìn)行加熱使基片溫度穩(wěn)定在一個合適的范圍內(nèi)，從而可更準(zhǔn)確的控制實驗過程中的基片溫度。實驗選用4 片1 cm×1 cm 的單面拋光的單晶硅片做基片，在金剛石薄膜沉積之前先用0. 5 μm 的金剛石粉進(jìn)行機械研磨，再用丙酮進(jìn)行超聲清洗5 min 對基片進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)過預(yù)處理的1 號樣品放入腔體中，采用氫氣和甲烷作氣源，所有樣品在單位制下，其流量比H2 /CH4 = 200 /7.0，微波功率1 618 W，工作氣壓5 054 Pa，基片溫度大約在810 ℃。形核30 min 后觀察基片表面有一層很薄的金剛石膜，呈現(xiàn)深灰色。2 號樣品在H2 /CH4 = 200 /6.0，其他參數(shù)同樣品1 的條件下形核20 min，觀察其表面可見連續(xù)彩膜，呈現(xiàn)紫紅色的光。3 號樣品在H2 /CH4 = 200 /5.0，其他參數(shù)不變條件下形核10 min，觀察其表面未見連續(xù)彩膜，且為基片顏色。將形核完成的1、2、3 號樣品以及未形核的4 號樣品按順序放入腔體中進(jìn)行生長，生長參數(shù)如表1 所示。

表1 金剛石薄膜形核及生長工藝參數(shù)

　　沉積得到的金剛石薄膜分別用掃描電子顯微鏡(SEM) 對其進(jìn)行表面形貌表征; 用Renishaw 公司生產(chǎn)的RM-1000 型激光拉曼光譜儀對薄膜的成分以及生長質(zhì)量進(jìn)行檢測，激光波長為532nm，其分辨率為4 cm1 ;用D/max-rA型X 射線衍射儀(XRD) 來表征金剛石膜的晶體形態(tài)。

結(jié)論

　　在實驗2 kW 的MPCVD 裝置中采用CH4和H2作氣源，可獲得金剛石薄膜的最佳生長工藝參數(shù)。在相同的生長參數(shù)條件下，較高形核密度和較低形核密度以及未形核直接生長的條件下都能制備出表面平整，晶體形貌明顯，致密性和結(jié)晶度較好的高質(zhì)量的金剛石薄膜。不同形核密度下制備的金剛石薄膜均為(111)面，形核密度越高，金剛石拉曼峰的半高寬(FWHM) 越大，薄膜質(zhì)量越差。研究結(jié)果表明在合適的生長條件下，形核密度對金剛石薄膜的表面形貌影響較小，但對其質(zhì)量有較大的影響。