等离子体合成金刚石

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这个方法是一个俄罗斯人首先提出的，由此可见俄罗斯人的确很牛。

这种方法可以合成大面积金刚石薄膜，大面积哦，这是由于现在可以得到很大规模的等离

子体，所以这种方法在研究领域可谓不可多得，只用甲烷就可以得到大面积的金刚石。CVD金刚石可以用各种方法合成，其中晶粒生长速度最快的则为热等离子体CVD工艺。我们试验室过去曾试图用DC等离子体CVD工艺合成金刚石厚膜，并就膜与基底的附着强度

和膜的性质作过探讨。但是，热等离子体工艺存在沉积面积和膜质量都不如其它CVD工艺

等问题。CVD金刚石薄膜应用中对扩大沉积面积有着强烈的需求。

金刚石在所有已知物质中具有最高的硬度、高耐磨率、良好的抗腐蚀性、低的摩擦系数、

高的光学透射率(对光线而言从远红外区到深紫外区完全透明) 、高的光学折射率、高空穴

迁移率、极佳的化学惰性,既是热的良导体,又是电的绝缘体,掺杂后可形成P和N型的半导体。金刚石有如此多优异性能,因而在国民经济上有着广泛的用途。金刚石从真空紫外光波

段到远红外光波段对光线是完全透明的，因此金刚石膜作为光学涂层的应用前景非常好，

可用作红外光学窗口和透镜的保护性涂层。以及在恶劣环境下工作的红外在线监测和控制

仪器的光学元件涂层。在工业制造领域，需要大量轻量化、高强度的材料，用具有高硬度、高耐磨性的金刚石制成的刀具有长寿命、高加工精度、高加工质量等优异特性，而将金刚

石薄膜直接沉积在刀具表面不仅价格大大低于聚晶金刚石刀具，而且可以制备出具有复杂

几何形状的金刚石涂膜刀具，在加工非铁系材料领域具有广阔的应用前景。金刚石在室温

下具有最高的热导率，又是良好的绝缘体，因而是大功率激光器件、微波器件、高集成电

子器件的理想散热材料。金刚石能掺杂为P和N型的半导体,与现有半导体材料相比，具有最低的介电常数，最高的禁带宽度，较高稳定性,很高的电子及空穴迁移率和最高的热导率,性能远优于Si半导体,是替代Si的理想材料。它有可能用于制备微波甚至于毫米波段超高

速计算机芯片，高电压高速开关及固体功率放大器，而工作温度更可达600摄氏度。金刚

石制备电子器件的应用已取得了初步的结果，如金刚石薄膜发光管、金刚石薄膜场效应管、金刚石薄膜热敏电阻等金刚石制备电子器件的应用。但天然金刚石价格昂贵、数量稀少，

人们一直在寻求人工合成金刚石的方法。传统上,依据热力学原理，人们利用石墨在高温高压下合成金刚石。但这种传统方法需要高温高压,对设备要求比较高,条件比较苛刻,导致合成的金刚石价格较贵。在20世纪80年代初,一种新的方法出现了,那就是微波等离子体化学气相法合成金刚石薄膜（CVD）制备金刚石薄膜，它成本低，质量高，有利于大规模合成利用,且装置简单,能量集中,反应条件易于控制,产物比较纯净,成为当前研究的主要方向和热点。现在该领域的最新进展是用微波化学气相合成法合成纳米级的金刚石薄膜,纳米级金刚石薄膜除了有普通微米级金刚石薄膜的性质外,还具有高光洁度,高韧性,低场放射电压,是具有广阔应用前景的新材料。摩擦系数低,光洁度高,颗粒极细,硬度高,耐磨度高,可广泛应用医疗,交通,航空航天,工业制造领域的涂料,涂层,钻头,更可为微型机电领域带来革命性的飞跃.许多科学家纷纷预言：21世纪将是金刚石的时代。

合成与机理：等离子态是物质的第四态,之所以把等离子体视为物质的又一种基本存在形态，是因为它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质上均有本质区别。即使与气体之间也有着明显的差异。首先，气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体而又在整体上保持电中性。其二，组成粒子间的作用力不同，气体分子间不存在净电磁力，而等离子体中的带电粒子间存在库仑力，并由此导致带电粒子群的种种特有的集体运动。第三，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显地会受到电磁场的影响和约束。需说明的是，并非任何电离气体都是等离子体。只有当电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动时，体系的性质才会从量变到质变，这样的“电离气体”才算转变成等离子体。否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各部分的简单加合，而不具备作为物质第四态的典型性质和特征，仍属于气态。按热力学分析只要压力适当，石墨转变成金刚石在低温下并非不能自发进行，问题在于反应速率太低，以致必须提供苛刻的高温高压条件。但若借助非平衡等离子体，情况就不同了。如用微波放电把适当比例的CH4和H2气激发成等离子体，便可在低于1.0133×104Pa，800—900℃条件下以相当快的生长速率（1μm/h）人工合成金刚石薄膜。

依照此原理设计的 CVD合成金刚石薄膜的装置都有一共同特性，即使低分子碳烃气体稀释在过量氢气中，在一定电磁能激发产生等离子体，在等离子体中形成局部的高温高压

条件,通过适宜的沉积工艺在基片(硅片)上沉积出金刚石薄膜。常用的方法有热丝法、微波法、等离子体炬和燃烧火焰法等。热丝法是利用高温金属丝激发等离子体，装置简单，使

用比较方便。但由于金属丝的高温蒸发会将杂质引入金刚石膜中，因此该方法不能制备高

纯度的金刚石膜；微波法是利用微波的能量激发等离子体，具有能量利用效率高的优点。

同时由于无电极放电，等离子体纯净，是目前高质量、高速率、大面积制备金刚石膜的首

选方法；等离子体炬是利用电弧放电产生等离子体，制备的金刚石膜质量高。但由于电弧

面积的限制，金刚石膜的面积较小；同时由于电弧点燃及熄灭的热冲击，对金刚石膜的附

着力影响很大，设备的磨损大，反应气体的消耗也高；燃烧火焰法是利用乙炔在氧气中燃

烧产生的高温激发等离子体，可以在常压下工作，也存在着金刚石膜沉积面积小，不均匀

等问题。

微波等离子化学气相合成法的主要装置有：微波发生器,石英反应腔,单晶硅片,微流量计,Raman光谱仪,气压计,真空泵。真空泵抽真空，使体系保持在一个低压状态，将烃类气

体和氢气以一定比例混合在石英反应腔中，微波发生器发出微波使之在反应腔中形成等离

子体，等离子体在抛光Si基片上沉积出金刚石薄膜。沉积过程分为四个阶段1) H等离

子体刻蚀阶段;(2) 镜面抛光硅片的表面渗碳期;(3)金刚石晶体成核期;(4) 金刚石晶体生长期. CVD法制备金刚石膜的机理目前还没有完全了解，主要是利用单晶硅片的晶格和金刚

石晶体相似,具有诱导成核作用,诱导金刚石晶体在硅片上沉积生长.原子氢在金刚石膜生长

过程中的主要作用是稳定具有金刚石结构的碳而将石墨结构的碳刻蚀掉。利用CVD中等离

子体的高度离子化作用，使 C、H、O三者比例在一定的范围区域内，在合适的沉积条件下，得到金刚石膜。一般来说，流量大些有利于成核，但流量过大，等离子轰击强度过大，则

不利于晶体生长，要选择合适的流量。调节不同的反应物比例和反应条件，可以有选择性

地生长不同晶形的金刚石膜。