微波等离子体化学气相沉积系统研究

微波等离子体化学气相沉积系统研究

摘要：本文通过微波等离子产生原因，以及分析了我国气相沉积技术的内容与优点，并且，通过实验详细的阐述了微波等离子体化学气相沉积系统，为我国的化学气相沉积技术得以更好的发展，并能很好的解决微波等离子体遇到的问题，提供资料借鉴。

关键词：微波等离子体；化学气相沉积；系统；研究

一、微波等离子产生原因

人们日常生活见到的物质基本上以气态、固态或液态中的任一种形态存在。在一定的温度下，某物质的分子间作用力和无规则的热运动这两种因素的相互作用决定了这一物质的存在状态。当温度升高时，分子的无规则运动加剧，将使得分子间的作用力不足以将分子束缚在固定的平衡位置附近做微小的振动，当温度继续升高时，构成分子的原子也能够获得足够的动能，开始彼此分离，这一过程叫做离解，如果温度进一步提高，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，而由于电子和离子的热运动，也会使气体发生电离，这样物质就变成了由自由电子和正离子组成的物质的第四种形态，即等离子体。

二、我国气相沉积技术的内容与优点

气相沉积是近二三十年来迅速发展的新技术。它是物质从气态向固态转化的结果。其过程包括物质气化、气相输运和离子沉积成膜或涂层三个基本过程，化学气相沉积简称CVD，CVD是在相当高的温度下，利用混合气体与基体材料的相互作用，从而在其表面形成一层固态薄膜或涂层的技术。这类技术包括常规化学气相沉积，金属有机化合物化学气相沉积，等离子体强化化学气相沉积或等离子体辅助化学气相沉积，激光化学气相沉积等方法。目前气相沉积技术已经受到国内外的普遍重视，发展迅速。该技术具有沉积速率快、涂层均匀致密、附着性好、涂层材料广、对环境无污染等特点，运用这种技术可以改善金属材料及其零部件表而的抗蚀性、耐磨性和抗氧化性等性能。

三、实验及分析

（一）概述

3KW微波等离子体化学气相沉积系统上开展了实验，对金刚石薄膜的沉积工艺进行了研究，基片台采用石英玻璃基片台，基片为取向的单晶硅片。大小为1OX10mm，厚度为1mm，分别从基片的预处理、气源成分、以及沉积温度三个方面对沉积金刚石膜的质量进行了研究。采用SEM、XRD和Raman谱仪对金刚石膜进行了表征。得到了金刚石膜沉积的优化条件。

（二）基片预处理的影响

为了研究基片表面的预处理对沉积金刚石膜的影响，进行了三组对比试验，分别用不同粒度的金刚石微粉进行研磨，如表1所示。对取向的单晶硅基片进行金刚石粉研磨，研磨时间为十分钟，然后在超声清洗仪中清洗十分钟。

表1

基片在经过预处理后实验的沉积参数如下:微波功率 2.5KW，沉积气压4Kpa，沉积气源为氢气和甲烷，甲烷与氢气的体积比为1:100，沉积温度7280C，沉积时间为8小时。实验结束后，分别使用SEM与XRD对薄膜进行了表征。如图1、2所示：

图1

图2

从图中可以看出，1#和2#的晶型比较完整，而3号几乎不能观察到。从XRD 图中也可以看出，1#样品出现了和相的生长，而2#样品只有相的生长，3#样品的相位比较杂乱，而且值也比较小。说明用金刚石粉末研磨过的基片能更好的沉积金刚石膜，基片经过金刚石粉末的研磨及超声清洗后，在单晶硅基片表面附着了大量的金刚石微粉，这些微粉可以作为金刚石膜的形核中心，大大促进了金刚石膜的沉积速率。而使用粒度粗的金刚石粉处理后沉积得到的金刚石膜中金刚石晶粒尺寸相对较大，并且晶粒缺陷也相对较多。这可能与附着于基片表面的粗颗粒金刚石“籽晶”的异常生长有关。较大的晶核生长会阻碍其他晶核的形核、生长过程，导致薄膜生长不均匀。

（三）气源成分的影响

在不同碳源浓度的情况下对成膜进行研究，首先对基片进行预处理，使用粒度为0.5μm的金刚石粉对基片进行研磨十分钟，再用超声清洗仪进行超声清洗十分钟。实验选取两个样本进行比较。如表2所示:

表2

基片在经过预处理后沉积参数为下：微波功率2.5KW，沉积气压4KPa,沉积气源为氢气和甲烷，沉积温度730C，沉积时间为8小时。实验结束后，分别使用SEM和XRD对薄膜进行了表征。如图3、4所示：

图3

图4

从图中可以看出2#样品的形核密度明显比1#的提高，薄膜的致密性增强，得到的晶粒呈球状，但从XRD中可以看出，2#样品出现了多晶和非金刚石相的生长。通过扫描电镜对薄膜的厚度进行观测，1#样品的薄膜厚度为2.4μm，2#样品的厚度为3μm。说明碳源浓度的增加能增大金刚石薄膜的沉积速率，但会出现多晶和非晶碳的生长。造成这种现象的原因可能是甲烷比例的提高使得沉积气氛中受等离子体激发的含碳基团浓度增加，同时，氢原子的浓度会逐渐下降，其对SP2键的刻蚀作用也随之下降，从而就导致了非晶碳的生长，对金刚石膜的沉积质量造成了影响。

（四）沉积温度的影响在不同温度的情况下对成膜进行研究，首先对基片进行预处理，使用0.5μm的金刚石粉对基片进行研磨十分钟，再用超声清洗仪进行超声清洗十分钟。在控制温度时，主要是控制基片台与等离子体球的相对位置，从而控制沉积温度，如图5所示：

图5

实验取三个样本进行比较。如表3所示：

表3

沉积参数为微波功率2.5KW，沉积气压4KPa，沉积气源为氢气和甲烷，沉积时间为8小时。实验结束后，使用SEM对薄膜进行了表征。如图6所示：

图6

从图中可以看出，远离等离子体的样品3#,其生长呈层状，1#样品的晶粒大小尺寸不均匀，只有2#的生长比较正常，晶粒的大小一致，生长均匀。由于微波能量被气体激发后产生的等离子体所吸收，造成了等离子体球的温度分布非常不均匀，温度在等离子体球中心区域很高，而在边缘的分布会迅速降低。而沉积温度过低会使得含碳基团和原子氢的活性急剧下降，而如果沉积温度过高，那么氢原子对金刚石膜的刻蚀速率也将大于沉积的速率，使得沉积的速率下降，与此同时形成金刚石的碳键将会非常不稳定，转化为碳键，造成非金刚石相的生长，因此这两种情况对金刚石膜沉积过程中金刚石形核与长大都是不利的。基片位置的改变不仅使得沉积温度发生了变化，而且也影响到基片周围环境中氢原子和含碳基团的浓度。从等离子体球内区域到等离子体球边缘及下游区域原子氢和含碳基团的数目因温度梯度的存在发生很大改变，在远离等离子体球的区域，因为温度较低，原子氢和含碳基团重新复合成氢气分子和甲烷分子的几率大于了分子离解的几率，所以含碳基团的浓度和氢原子的浓度都急剧下降，从而降低了沉积速率。

（五）金刚石薄膜的沉积

在综合以上优化条件后进行了金刚石薄膜的沉积实验，其沉积条件为：使用0.5μm金刚石粉对基片进行研磨，再使用超声清洗仪对基片进行清洗，沉积气压4kPa,沉积平均温度7300C，甲烷浓度1%。沉积时间37小时，实验结束后使用SEM、XRD、拉曼谱仪以及能谱仪对样品进行了检测。检测的图像如图7、8所示：

图7