金刚石薄膜

0.1m / h ）
厚为 50nm 的金刚石连续薄膜
金刚石薄膜的结构
金刚石虽是一种原子构成，但是它的晶格是 一个复式格子，由2个面心立方的布喇菲原 胞沿其空间对角线位移1/4的长度套购而成， 金刚石结构的结晶学原胞如图所示，在1个 面心立方原胞内有4个原子，这4个原子分别 位于4个空间对角线的1/4处。
金刚石结构
金刚石薄膜的制备方法
图1是碳的相图，从碳的相图看，只有离子束法 需高真空，而热丝CVD法和微波等离子体CVD 法在低真空下就能合成金刚石薄膜，直流等离 子体喷射法和火焰法可以在常压下进行。
这些区域都是石墨的稳定区和金刚石的亚稳区， 既然是金刚石的亚稳区，就有生成金刚石的可 能性。然而，由于两相的化学位十分接近，两 相都能生成。
低压，面积适中
速率低，晶质差、 易污染 面积小，不稳定 速率低、面积小
速率低，质量不太 好
低压合成金刚石薄膜的机理
金刚石可以不在碳相图的稳定区内生成，而在金刚 石的亚稳态区生成，这已由大量的实验所证实。
微波等离子体法 （ECR2.45GHz）
180
1（低压） 30（高压）
0.1
〈2 + + + 〈2 + + +
-/+
3
+++
40
+++
〈40 -/+
Si,Mo Mo,Si
快速，晶质好 高速，晶质好
面积太小 面积较小，有缺陷
Si,Mo,BN,Ni 氧化硅
Mo
氧化硅， Mo ,Si,WC
速率高
晶质好，稳定性 好
+ + + Si, Mo,TiN
+++ +
Si, Mo，氧 化硅等
Si, Mo氧化 硅等
优点 简单 简单，大面积 简单，大面积
缺点 面积小，稳定性差 易受污染 晶质不好，速率低
直流放电法（中压） 20~25
直流等离子喷射法
930
RF法（低压）
〈0.1
RF法（101325Pa）
微波等离子体法 （0.9~2.45GHz）
100 以上
c BN ,W , Al2O3 ，高速钢，Ta, Ni, 钢，Pt,
Si3N4
微波等： 150 以上；热灯丝： 300
65m / h
100μm/h 以上，最高达 930μm/h
掺 B，p 型半导体，1Ω cm 以下； 掺 B，p 型半导体，1010 cm
离子注入
1016 Ω cm
金刚石透光范围宽，透过率高，透射性能优良。
金刚石具有极好的抗腐蚀性和优良的耐气候性 等特点。
概述
研究证实，用化学气相沉积法制备的金刚石薄 膜，其力学、热学、光学等物理性质已达到或 接近天然金刚石。
这些优异性能使得它在机械工业、电子工业、 材料科学及光学领域中有着广阔的应用前景， 是一种新型材料。
各种动力学因素：
通常用甲烷进行热解沉积。由于石墨的生成自由能大于金 刚石，当提高甲烷浓度时，石墨的生长速率将会提高，而 且比金刚石还快，故一般采用低于1%的甲烷含量。
若沉积基片的温度超过1000℃，则石墨的生成速率就会大 幅度增加，考虑到工艺上的可能性，基片温度约为 800~1000℃。
原子氢的存在有利于稳定sp3键。为了得到较高比例的原 子氢，采用微波、射频或直流电弧放电，热丝或火焰分解， 以及催化等方法。
天然金刚石 100001)
440~5901) 12001） 201) 180001）
3.6 2.41 5.5 225nm 至远红外 2) 1016
高质量 CVD 金刚石多晶薄膜 9000~10000
接近天然金刚石 10~20
2.8~3.5 2.4 5.5
接近天然金刚石 >1012
表2 国内外金刚石薄膜的研究情况对照
金刚石薄膜及其应用
--Diamond Carbon Films
概述
金刚石是自然界中硬度最高的物质，金刚石的 热导率是所有已知物质中最高的，室温（300K） 下金刚石的热导率是铜的5倍。
金刚石是一种宽禁带材料，其禁带宽度为5.5eV，
因而非掺杂的本征金刚石是极好的电绝缘体，
它的室温电阻率高达
图1 碳的相图
各种动力学因素：
反应过程中输入的热能或射频功率等的等离子体能量、反 应气体的激活状态、反应气体的最佳比例、沉积过程中成 核长大的模式等对生成金刚石起着决定性的作用。
选用与金刚石有相同或相近晶型和点阵常数的材料作基片， 降低金刚石的成核势垒。却提高了石墨的成核势垒。
石墨在基片上成核的可能性仍然存在，并且一旦成核，就 会在其核上高速生长，还可能生成许多非晶态碳，因此， 需要有一种能高速除去石墨和非晶态碳的腐蚀剂，相比之 下，原子氢是最理想的腐蚀剂，它能同时腐蚀金刚石和石 墨，但它对石墨的腐蚀速率比腐蚀金刚石的速率高30~40 倍，这样就能有效地抑制石墨相的生长。
基片的表面状态对金刚石的成核有很大影响。因为基体或 生长面的缺陷与金刚石晶核具有较高的结合能，将导致降 低成核的自由能。
表3 各种气相合成金刚石薄膜方法比较
方法 火焰法 热丝法 直流放电法（低压）
速率/
（m / h）
30~100
面积 /cm2
<1
0.3~2
100
〈0.1
70
质量/拉 曼测试
衬底
表1列出了天然金刚石与CVD金刚石薄膜的主 要物理性能的比较。
表1 天然金刚石和CVD金刚石薄膜的物理性质
物理性质 硬度/（kg/mm2） 体积模量/GPa 杨氏模量/GPa 热导率/[W/(cm·K)],300K 纵波声速/(m/s) 密度/(g/cm3) 折射率（590nm 处） 能带间隙宽度/eV 透光性 电阻率/（ Ω cm ）
掺 P，n 型半导体，100 cm（不适器件制备）
同质外延：（100），（110），（111） 同质外延：（100），（110）和（111）
异质外延： c BN 、Si、Ni
在硅衬底实现了金刚石薄膜的选 在硅衬底实现了金刚石薄膜及单个金刚石颗
择性生长
粒的选择性生长
400℃
300~400℃
基本无缺陷的金刚石颗料（生长速率
衬底材料
大面积 生长速率
掺杂
外延生长 选择性生
长 低温生长 缺陷控制
超薄膜ຫໍສະໝຸດ Baidu
Si, Mo, Cu, WC, 石英，石墨，高 Si, Mo, Cu, WC, 石英，石墨，高压金刚石，
压金刚石，天然金刚石，金刚石复 天 然 金 刚 石 ， 金 刚 石 复 合 片 ，
合片， c BN, Ta, Si3 N 4 , Al2 O3