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          微波等離子體化學氣相沉積實驗-形核研究

          來源:    作者:admin    發布時間:2014-01-24    

          等離子體化學氣相沉積技術有影響的應用之一是利用該技術制備金剛石膜。由于膜狀的金剛石可以在超硬保護涂層、光學窗口、熱沉材料、微電子等多個領域有重要意義,因此科學家認為當人類掌握金剛石膜的制備技術,特別是單晶金剛石膜的制備技術后,依賴材料的歷史將從硅材料時代很快進入金剛石時代。不過目前關于等離子體化學氣相沉積金剛石膜的機理并沒有清楚,特別是異質外延單晶金剛石膜還有很大困難,其主要原因是:低溫等離子體處于熱的非平衡狀態,所用的反應氣體也是多原子分子,反應系統復雜,基礎數據不足。但是通過20多年大量的理論和實驗研究,人們不僅發展了多種等離子體化學氣相沉積技術來制備金剛石膜,而且通過對實驗數據的分析總結,對影響金剛石膜的生長的因素有了了解。對多晶金剛石膜的生長來說,形核是關鍵的,而影響形核的因素又是多方面的,包括等離子體條件,基體材料和溫度等因素。

          在等離子體化學氣相沉積金剛石膜時,首先要經歷金剛石的形核過程,而形核通??煞譃閮呻A段:一階段是含碳基團到達基體表面,并向基體內部擴散。二階段是到達基體表面的碳原子在在基體表面以缺陷、金剛石籽晶等為中心的成核、生長。因此決定金剛石的形核因素包括:  1.基體材料:由于形核取決于基體表面碳的飽和程度以及到達形成核心的臨界濃度,[Joflreau,P.O.Haubner, R.and Lux, B., j.Ref.Had Metals 7(4)(198):186-194]因此基體材料的碳的擴散系數對形核有重要影響。擴散系數越大,就越不容易達到形核所需要的臨界濃度,如鐵、鎳、鈦等金屬基體,直接在這些材料上形核就非常困難;對于碳擴散系數較低的材料,如鎢、硅等,金剛石可以快速形核。  2.基體表面研磨:通常金剛石的形核可以通過金剛石微粉對基體表面的研磨來推動。用SiC、 c-BN、Al2O3等材料的研磨對形核也有推動作用。研磨可推動形核的機制主要有兩點:一是通過研磨,金剛石微粉的碎屑留在基體表面起晶種的作用;二是研磨可以在基體表面產生大量的微缺陷,表面缺陷是自發形核的有利位置。研究表明研磨材料的晶格常數與金剛石的越接近,增強形核的效果越好,因此通常的研磨材料是采用高溫高壓法制備的金剛石微粉。  3.等離子體參數:在金剛石形核初期,由于碳向基體內的擴散會在基體的表面形成一個界面層,研究表明等離子體參數對界面層也有重要影響,如硅基體上沉積金剛石膜時,甲烷濃度對SiC界面層的生成就有直接的影響。[Williams, B.E. and Glass, m J.T., J.Mater. Res. 4(2)(1989):373-384]  4.偏壓增強形核:在微波等離子體化學氣相沉積中,基體一般是加負偏壓,即基體的電位相對于等離子體來說是低電位。負偏壓的作用是增加了基體表面附近的離子濃度。過高的偏壓會由于過多的離子對基體表面和先驅核的濺射而抑制形核,因此偏壓增強形核時偏壓的大小要合適。

           

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