实验参数对热丝CVD人造金刚石膜生长的影响

实验参数对热丝CVD人造金刚石膜生长的影响摘要:在热丝CVD法生长金刚石膜的实验中,实验参数(包括灯丝温度、衬底温度、气体的碳氢比等等)对金刚石膜的生长起到了关键性的作用,它们的数值与金刚石膜的生长速率快慢与生长质量的高低密切相关。

而且实验参数相互之间也有着密切的联系。

关键词:金刚石膜生长速率和质量综述灯丝温度碳氢比衬底温度
The impact of experimental parameters on the growth of the diamond films of hot filamenCVD
Abstract:In the experiments that growth of Diamond film by hot filament,Experimental,parameters (includingthe filament temperature, substratetemperature, gas hydrocarbon ratio,etc.) of diamond film,growth has played a key role, Their value is closely related to the quality. Between experimental parameters and also closely linked lity.
人造金刚石膜在生产中有着非常巨大的使用价值,不论在机械、热学、光学或半导体以及声学和现代军事等方面都能发挥其强劲的作用。

人工生产金刚石膜,可以采用高温高压法或CVD(化学气相沉积)法。

在CVD法中,热丝法因最其经济价值和实用价值而得到最广泛的使用。

1 热丝CVD 法生长金刚石膜
CVD即化学气相沉积。

热丝法是指在真空容器中,利用加热的灯丝将通入的气体分解,分解后的气体在衬底上沉积形成制品。

在生长金刚石膜的实验中,通入的气体为氢气和含碳的气体如CH4或C2H2等的混合气体。

在真空加高温的条件下,气体被分解为氢原子、碳氢气体等。

碳氢气体在衬底上沉积为金刚石膜。

在热丝CVD生长金刚石厚膜的过程中,有如下实验参数对金刚石膜的生长起到关键作用。

(1)灯丝温度。

(2)衬底温度。

(3)通入气体的碳氢比。

2 实验参数对金刚石膜生长的影响
2.1 灯丝温度与C/H2的关系
图1为作者收集了近十多年来的各种杂志上有关热丝CVD金刚石生长中灯丝温度与所使用的碳氢比(C/H2)之间的关系[1～7],以及作者的实验数据描绘而成。

图中的每个点表示该实验所选用灯丝温度及碳氢比。

图中所采用数据的要求是在该条件下所生长的金刚石粒或膜具有良好晶面,由笔直的棱和清晰钝角组成,此时在该图中打上实圆
点·,如生长出来的为碳球则打上Ⅹ。

由图1可见,当灯丝温度在1950℃以下则很难生长出金刚石,因此并无实验数据。

在灯丝温度为1952℃时选用的C/H2为1%或2%;而选用灯丝温度为2800℃时所用的C/H2可选用12%。

由于灯丝温度高,产生的原子氢就多,可容许用较高的C/H2,一般认为C/H2越高金刚石生长越快,但C/H2比过高却会生长碳球。

在图1中,斜线之下为可以生长出金刚石的碳氢比与灯丝温度,而在斜线之上只能生产碳球。

2.2 金刚石生长速率、金刚石质量与碳氢比的关系
生长速率是指单位时间内生长金刚石的厚度,用千分尺测量。

实验中,常用每小时生长多少微米来表示(μm/h)。

金刚石质量,常使用拉曼光谱来评定金刚石膜的质量,表达方式为:
Q(514.5)=[(I金刚石+Ia-碳)/233]×100%
金刚石膜质量最高为Q=100%(即图2中的1.0),最低为0。

图2表示金刚石的生长速率和质量与碳氢比之间的关系。

如图可见两个特点:(1)在一定的碳氢比变化范围内,金刚石的生长速率与金刚石的质量都有极大值。

(2)速率与质量的变化是同步的。

(3)当碳氢比大于某一极限值时,金刚石质量和生长速率急剧下降。

2.3 金刚石质量与衬底温度的关系
图3的几张照片,是在同一灯丝温度2000℃,同一的碳氢比3%,使用不同的衬底温度,所得到不同条件下,生长的金刚石粒的形貌。

当衬底温度低时,只长出浑圆的碳球;当衬底温度提高到850℃时,长出有尖角的碳球;当温度升高到950℃,则长出有棱有角的金刚石粒。

原因是衬底温度高会使原子氢的腐蚀作用增强,从而使金刚石的生长质量提高。

2.4 衬底温度与生长速率的关系
图4显示,随着衬底温度的升高,金刚石的生长速率也不断提升,至1000℃达极大值;当衬底温度超过1000℃时,曲线急速下降。

其原因是由于温度太高,金刚石已不稳定了,转变为非晶碳,又被原子氢腐蚀。

该图是生长工艺中一个很重要的指示图。

3 结语
在热丝CVD法生长金刚石膜的过程中,实验参数对金刚石膜的生长速率和生长质量起着关键性的作用。

其中,最为重要的是灯丝温度、碳氢比和衬底温度。

而且,这些因素本身也互相关联。

3.1 金刚石生长速率与实验参数
虽然碳氢比越高,就能生长越多的金刚石,但在不同的灯丝温度下,气体中允许的碳氢比是有一定值的,如果盲目增加,只会生长碳球。

实验中允许的碳氢比与灯丝温度密切相关:当灯丝温度从1900℃多增加至2800℃时,气体中允许的碳氢比可从1%～2%增加到12%,金刚石膜的生长速率可从1～3μm/h提高至10～15μm/h。

当灯丝温度和碳氢比都确定后,衬底温度越高,生长速率越高,但当衬底温度超过1000℃时,金刚石膜的生长速率会急剧下降。

3.2 金刚石生长质量与实验参数
在一定的灯丝温度和衬底温度下,碳氢比增大,金刚石质量会提高;但当碳氢比增大到一定值时,金刚石质量会急剧下降。

当灯丝温度与碳氢比一定时,衬底温度由800℃上升至950℃时,金刚石膜的质量同步上升,由原先的碳球变为有明确晶体结构的金刚石。

金刚石的生长质量与生长速率同步。

即当金刚石生长速率高时,其生长质量也越好。