CVD金刚石薄膜窗口试样制备及力学性能测量

国家自然科学基金资助项目(项目编号50005013)
CVD 金刚石薄膜窗口试样制备及力学性能测量
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200030　上海交通大学机械动力工程学院　晋占峰　孙方宏　简小刚　胡　斌　陈　明
摘　要　本文以氢气和丙酮为原料,采用电子增强热丝C VD 法,在硅片(100)基体上沉积一层金刚石薄膜,并采用光刻法和湿式各向异性刻蚀技术制备出金刚石薄膜自支撑窗口试样。

实验结果表明,所制备的金刚石薄膜自支撑窗口刻蚀彻底,形状规则,能够很好地满足鼓泡法的实验要求,对C VD 金刚石薄膜力学性能的测量具有重要意义。

关键词　金刚石薄膜　硅基体　化学刻蚀　鼓泡法ABSTRACT Diam ond thin film is deposited on silicon slice (100),using hydrogen and acetone as gas res ource ,by means of electron -enhanced hot filament chemical vapor deposition (HFC VD ).Free -standing window sam ple of diam ond thin film was fabricated by means of photolithography and anis otropic wet etching.According to the test results ,the window of the sam ple was etched thoroughly and the window figure of the sam ple was regular.S o ,the sam ple is very suitable for bulge test.It is significant for testing of performance of C VD diam ond thin film.
KE YWOR DS diam ond film ;silicon substrate ;chemical etching ;bulge test 1　引言
近年来,采用化学气相沉积(C VD )法、等离子化学气相沉积(PC VD )法、火焰燃烧法、物理气相沉积(PVD )法、化学气相输运法、粒子束沉积法以及激光化学气相沉积(LEC VD )法等来制备金刚石薄膜材料的研究已经取得了突破性进展,金刚石薄膜的制备与应用已经成为薄膜材料领域中一个重要的研究方向。

金刚石薄膜的制备和实际应用与其力学性能密切相关。

对金刚石薄膜的弹性模量、泊松比、残余应力等力学性能的测量在技术上仍然有很大的难度,这直接制约着金刚石薄膜材料的推广应用。

在已有的薄膜力学性能测量方法中,只有鼓泡法最有可能发展成为综合评价薄膜材料各项性能的有效方法。

鼓泡法是在带有薄膜的试样上制出薄膜窗口,通过测试装置向薄膜施加压力,使薄膜受到均布载荷而产生变形,变形量与薄膜的力学性能有关,通过测量压强和薄膜的变形,得到其中的关系,可以计算出薄膜的力学性能。

鼓泡法测量金刚石薄膜的力学性能的关键技术是金刚石薄膜窗口试样的制备。

本文基于鼓泡法的基本原理,研究了金刚石薄膜自支撑窗口试样的制备方法,阐述了鼓泡法测量金刚石薄膜力学性能的方法。

采用自行设计的硅片夹持器固定试样,使刻蚀液无法接触到沉积在硅片下表面的金刚石薄膜,因而可以保证在刻蚀硅基体形成自支撑窗口的同时不会损坏到薄膜。

经实验研究表明:所制备的金刚石薄膜自支撑窗口形状规则,刻蚀彻底,残余内应力小,能够很好地满足鼓泡法的实验要求。

在此基础上,进一步研究了应用鼓泡法测量金刚石薄膜力学性能的基本原理和实验装置,对于金刚石薄膜的推广应用具有重要意义。

2　金刚石薄膜窗口的制备方法
窗口制作过程示意图如图1所示
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图1　在硅基体上制作金刚石薄膜窗口的过程示意图
实验中我们采用的是2英寸硅片(100),单面抛光,进行高温氧化,在硅片表面生成一层致密的二氧化硅薄膜;用0.5微米的金刚石微粉对硅片抛光面上的二氧化硅层进行研磨除去该二氧化硅层,未抛光的那
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3・2002.4(132)
一面上的二氧化硅层予以保留,作为将来刻蚀硅基体时的掩膜。

对硅片上的抛光面上的二氧化硅层进行抛光有两个目的:第一,由于金刚石薄膜在二氧化硅上成核密度低,与二氧化硅层结合性能差,而在硅基体上成核密度高,结合性能较好;第二,可以使硅基体表面得到适当的粗化,使金刚石薄膜与硅基体的结合性能更好。

采用电子增强热丝C VD法在硅片上研磨的一面沉积一层金刚石薄膜,厚度约10μm,反应气体为丙酮和氢气,体积比为1～2%,气压为20～40torr,衬底温度为800～900℃,热丝温度为1800～2200℃,灯丝电压约17V,灯丝电流约56A,偏流约为0.5A,沉积速率约2μmΠh;在金刚石薄膜上涂上苏州2号光刻胶(该光刻胶为负胶);用紫外线照射曝光,将来作为窗口的地方用掩膜遮蔽不曝光;进行显影,显影液把未曝光处的光刻胶除去,曝光处的光刻胶予以保留,形成所需要的窗口形状;烘干坚膜;在二氧化硅层上刻蚀窗口,刻蚀液为氢氟酸,此时光刻胶层作为掩膜;用浓硫酸和双氧水的混合液除去光刻胶层,留下二氧化硅层;在硅基体上刻蚀窗口,所用刻蚀液为氢氧化钠溶液,从有二氧化硅层的一面向有金刚石薄膜的一面进行刻蚀,此时二氧化硅层作为掩膜,把窗口处对应的硅基体刻蚀掉,而留下金刚石薄膜,形成金刚石薄膜窗口,窗口直径为3～4mm;采用激光切割机把硅片切割成所需形状。

3　金刚石薄膜窗口制备工艺研究
3.1　刻蚀硅基体的化学反应
采用的硅基体为硅单晶,在碱性溶液中所进行的化学反应事实上是电化学反应,反应的化学方程式为:
阳极反应:Si+6OH-→SiO
3-2+3H
2
O+4e
阴极反应:2H++2e→H2↑
阴阳极反应之总和为:Si+6OH-+4H+=SiO3-2 +3H2O+2H2↑
但是阳极反应速度与阴极反应速度是不一样的,阴极反应速度比阳极反应慢得多,整个反应速度受到阴极反应速度的制约。

为了加快反应速度可以加入一些中性或者碱性氧化剂,如H
2
O2或者NaClO等。

在实
验中采用80%NaOH溶液,反应最终生成Na
2
SiO3,该物质溶于水。

为了进一步提高反应速度,进行加热,温度保持在80℃～84℃。

刻蚀速度约为1.5μmΠmin。

由于对硅(100)面的刻蚀速度比对(111)面的刻蚀速度快得多,最终刻蚀出来的窗口形状为方形。

3.2　硅基体刻蚀装置
图2为硅基体刻蚀装置截面示意图。

装置呈圆形。

反应容器要求耐腐蚀,并且耐高温,不易破裂,采用不锈钢来制作。

整个反应过程中要求温度保持基本恒定,为此采用热电偶来测量溶液内的温度,用电加热器来加热,恒温电子调节器根据电偶的输出信号来调节电加热器的功率,使溶液的温度保持在80℃-84℃。

由于电加热器仅仅加热反应容器的底面,容易引起反应容器内各处的温度不一致,从而使硅片处的温度与热电偶所测量的温度有差异,对试验造成不良影响。

为此在反应器中设置了搅拌器,对反应器内的溶液进行搅动,使溶液内各处的温度一致。

实验中随着不断加热,刻蚀液中的水分会不断地蒸发,造成刻蚀液的浓度不断升高。

为了防止该现象发生,在容器盖上设计有冷凝器,使蒸发的水分冷凝,然后又流回到容器中,以保持溶液浓度基本不变。

图2　硅基体刻蚀装置示意图
金刚石薄膜与刻蚀液反应速度很慢,但是如果长时间在高温下浸泡在刻蚀液中,刻蚀液也会对金刚石薄膜造成腐蚀,从而引起其力学性能变化,无法测量出原来的力学性能。

为此,专门设计了硅片夹持器,如图3所示。

实验时把硅片放入硅片夹持器中予以固定(有金刚石薄膜的那一面朝下),这样可以使金刚石薄膜与刻蚀液隔离,不受腐蚀,仅仅从硅片的另一面进行刻蚀;硅片夹持器放入刻蚀容器中进行刻蚀。

当刻蚀液从硅片上面把硅片刻蚀透时,刻蚀液将会接触到金刚石薄膜,已经制成金刚石薄膜窗口,应及时取出。

实验时硅片夹持器的下体和硅片构成了一个空腔。

硅片夹持器上设有一根不锈钢通气管与外界大气相通,起到排气释放压力的作用。

该管有足够的长度,使其能够伸到刻蚀液液面以上,从而防止刻蚀液通过该管进入空腔内对金刚石薄膜造成腐蚀。

刻蚀反应中有氢气生成,当没有氢气泡冒出时,表明已经刻蚀到了金刚石薄膜,立即把硅片夹持器从刻蚀液中取出,取出硅片放在超声波清洗器中加清水进
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・《金刚石与磨料磨具工程》
图3　硅片夹持器结构示意图
行清洗,彻底除去残留的刻蚀液,防止留在硅片上,对硅片及金刚石薄膜造成影响。

3.3　实验结果及讨论
制成的金刚石薄膜窗口样品的SE M 图如图4所示。

由图中可以看出,刻蚀非常彻底,窗口上没有残留的硅;同时金刚石薄膜与硅基体之间没有缝隙,表明结合紧密;图中窗口四周亮白处为硅的(111)面,窗口形状比较规则,呈正方形;窗口中间为金刚石薄膜,未发现破裂或损坏。

刻蚀的金刚石薄膜窗口完全符合鼓泡法的实验要求。

图4　金刚石薄膜窗口试样的SE M 照片
3.4　鼓泡法在金刚石薄膜力学性能测量中的应用鼓泡法的原理为:当从金刚石薄膜的一面对金刚石薄膜施加液压或者气压时,金刚石薄膜会在压强的作用下鼓起一个泡来,所鼓起的高度与金刚石薄膜的内应力,弹性模量和泊松比有关。

如果能测量出所鼓起的高度和所对应的压强便可以计算出金刚石薄膜的内应力、弹性模量和泊松比。

图5为鼓泡法试验装置的示意图。

基座中有两个相互连通的孔,孔中充满了液压油。

样品台采用螺栓与基座固定在一起,样品台中间有一个通孔与基座中的孔相通。

金刚石薄膜窗口试样用502胶或者环氧树脂粘在样品台上,薄膜窗口正对着样品台中的通孔,以便液压油与金刚石薄膜相接触并施加压力。

活塞式注射机构和压力传感器与基座中的孔相连。

这样金刚石
薄膜、活塞式注射机构和压力传感器通过基座中的孔中的液压油便联系在一起。

实验时通过活塞式注射机构向孔内注入液压油对系统加压,金刚石薄膜在液压油的作用下受压鼓泡。

系统的压强由压力传感器测得,金刚石薄膜鼓起的高度通过基座上方的激光干涉仪测出。

通过压强和薄膜鼓起高度之间的关系,便可以计算出金刚石薄膜的内应力、弹性模量和泊松比。

图5　鼓泡法试验装置示意图
4　总结
采用热丝辅助C VD 法在硅片上沉积了金刚石薄膜,并采用湿式各向异性刻蚀法进行刻蚀,制成金刚石
薄膜窗口试样。

根据金刚石薄膜窗口试样制作的特殊要求改进了相应的刻蚀设备,并设计了硅片夹持器,既达到了刻蚀的目的,又避免了对金刚石薄膜的损害。

经SE M 检查,金刚石薄膜自支撑窗口刻蚀彻底,没有硅残留在金刚石薄膜窗口上,窗口形状规则,金刚石薄膜完整,与周边硅基体结合紧密,完全符合鼓泡法的实验要求。

鼓泡法能够测量金刚石薄膜的弹性模量、泊松比、残余应力且试样制备相对简单,是一种非常有前途的测量金刚石薄膜力学性能的方法。

参考文献
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第一作者简介:
晋占峰,男,1974年出生,上海交通大学机械与动力工程学院在读硕士研究生。

主要研究方向:金刚石薄膜力学性能测量。

(收稿日期:2002-08-03)
(编辑:王　琴)
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