金刚石膜

图4-1
2.离化沉积法
图2-2是微波等离子体化学气相沉积装 置的示意图。 微波CVD法是制备优质金刚石膜的一种 好方法。其主要缺点是难以在大面积 衬底上沉积金刚石膜，因为大直径的 “驻波腔”难以设计制作，而且由于 器壁被等离子体腐蚀，造成对金刚石 膜层的污染。 Matsumoto对装置进行过改进设计，可 以实现在大面积上沉积金刚石膜，在5 -15KPa低压下，生长速率为0.5-3um/h ，若工作在常压下，可获得30um/h的 生长速率。
图2-6
金刚石膜的制备
(三)、火焰燃烧法
图3-1是火焰燃烧法的装置示意图 。 这种方法最大的优点是设备简单， 在大气下即可沉积，而且沉积速率较高 (30-100um/h)。它的缺点是工艺较难控 制，特别是内焰覆盖区域，非金刚石炭 如不能及时去除，就会造成非金刚石碳 量较高，得不到纯金刚石膜。 图3-1
(四)、物理气相沉积(PVD)法
物理气相沉积金刚石膜，一般有溅 射镀、离子镀、真空蒸发镀等方法。从 本质上讲，它应该是从使用固态碳源或 气态碳氢化合物中获取碳原子或碳离子 而沉积出金刚石膜。一般情况下用这种 方法沉积金刚石膜的工艺难度大，沉积 的膜层纯度也较差。 1.溅射镀膜法 溅射镀膜法是用能量为500eV，平均 电流密度为1mV/C㎡的Ar离子束来溅射石 墨靶。图4-1是离子束溅射镀膜装置的示 意图。一般金刚石的沉积速率可达60nm/ h，沉积的金刚石膜的纯度较差。
图2-2
金刚石膜的制备
4、脉冲等离子体化学气相沉积法
图2-3为脉冲PCVD法装置示意图。 其沉积金刚石膜的原理是，当脉冲放 电产生等离子体时，使通入的碳氢化 合物分解，在等离子区中产生微晶状 的金刚石粒子，在停止放电时，使微 晶金刚石冷却、稳定。 脉冲PCVD沉积法的优点是沉积温度很 低。金刚石膜与基体的附着性好，膜 层均匀、光滑，膜层显微硬度较高， 缺点是金刚石膜的纯度不高。
图2-4
图2-5
金刚石膜的制备
同样，用射频也可获取极高温度的 等离子体，图2-6就是射频等离子体的 装置示意图。它的生长速率也可达180 um/h，而且膜层质量也好，生成的膜 也比较均匀。射频等离子体的缺点主 要是沉积工艺难以控制。另一个缺点 是射频等离子法沉积的金刚石膜面积 较小。 总体来看，上述三种等离子体射流 法，共同的优点是沉积速率高，缺点 是等离子体和衬底的温度的稳定性不 太好控制，设备相对也比较复杂，而 且由于沉积速率高，膜层的表面显得 粗糙。
金刚石膜的制备
图1-1是普通的化学气相沉积(CVD)示意装置。
金刚石膜的制备
2、热丝CVD(HFCVD)法
热丝法是成功制备金刚石膜最早 的方法之一。与其他方法相比， 具有设备简单，成膜过程易控等 优点；主要缺点是因靠热丝作热 源，热介效率低，一般只可在小 面积上成长金刚石膜，生长速率 为0.3-2um/h。 图1-2是被称为先进的热丝CVD(AHF CVD)装置示意图。用此装置可制 备出 Ф100㎜的均匀金刚石薄膜。 如果在热丝设备上再加以改进， 还可望制备出Ф200㎜的金刚石膜 。
金刚石膜的制备
(二)、等离子体化学气相沉积 (PCVD)法
等离子体化学气相沉积主要有 直流等离子体气相沉积(DC-PCVD )、射频等离子体化学气相沉积( Rf-PCVD)、微波等离子体化学气 相沉积(MV-PCVD)和等离子体射 流。 1、直流等离子体化学气相沉积(DCPCVD)法 图2-1是直流等离子体化学气相 沉积装置的示意图。 反应过程中，成长速率一般可达 0.3-2um/h，沉积的金刚石质量 较好。
图2-1
金刚石膜的制备
2、射频等离子体化学气相沉积 (Rf-PCVD)法 图2-1为13.56MHz的电源耦 合射频PCVD装置示意图。 射频等离子体化学气相沉积 的特点是可在半导体、导体 、绝缘体上镀制大面积的金 刚石膜。此法的生长速度很 慢，为0.1um/h。
图2-1
金刚石膜的制备
3、微波等离子体化学气相沉积(MW -PCVD)法
金刚石膜制备
一、金刚石的分类 天然金刚石
高压高 温法(HPHT)合成金刚石
金刚石
人造金刚石 低温低压沉积法合成金刚石膜
金刚石膜的制备
二、金刚石膜发展前景简述
近年来，合成金刚石薄膜已经成为世界科技先进国研究 开放最热门的新材料之一。金刚石薄膜之所以受到如此亲睐 ，是因为它有许多的优良特性： 12 10 — (1)具有 6 10 Ω·㎝的电阻率，可以作为半导体乃至 绝缘体材料，同时，介电常数低。(2)金刚石薄膜是与硅、 锗等半导体材料具有相同结构的一种晶体。因此，它被电子 工业界视为最有希望的新一代半导体芯片材料。(3)在常温 下，金刚石薄膜的导热速度很快，其热导率高达12W/(㎝·K )以上，几乎是纯铜的3倍。(4)透明度很高，可以透过从紫 外线到红外线的各种波长的光线，是探测器理想的窗口材料 。(5)导声速度快，可用作高保真扬声器振膜。(6)化学稳定 性极好，并且耐腐蚀，抗辐射，特别适用于军用和其他恶劣 的环境。
金刚石膜的制备
三、金刚石膜的制备
低压沉积法制备金刚石薄膜是以石墨相为稳态， 金刚石为非稳态的区域进行的。低压合成金刚石膜的 方法，主要有化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法 (PVD)、化学输运法(CVT)、热等离子体发几大类，简 述如下： (一)、化学气相沉积(CVD)法 化学气相沉积法(CVD)是在高温条件下使原料气体 分解，生成碳原子或甲基原子团等活性粒子，并在一 定工艺条件下，在基材(衬底)材料上沉积生长出金刚 石膜。 1、普通化学气相沉积法
金刚石膜的制备
5、等离子体射流Plasmajet)法
等离子体射流法分为直流等离子体射流法、 超音速直流等离子体喷射法和射频直流等离子 体法。 图2-4是直流等离子体射流装置的示意图。 此方法可获得很高的沉积速率，有报道达930u m/h的高沉积速率，这是其它方法所无法相比 的，但沉积面积受到一定的限制。在沉积边界 上有非晶碳生长，即存在边界效应。Cappelli 等人，为了克服存在的“边界效应”，设计了 如图2-5所示的超音速直流等离子体射流法。 其工作压强很低(p≤100pa)气流速率高(r≥10 4m/s)，等离子体的体积大，故可大面积沉积 金刚石膜，生长速率可达到10um/h，避免了“ 边界效应”。