形核密度对金刚石薄膜表面形貌及其质量的影响

形核密度对金刚石薄膜表面形貌及其质量的影响

在2kW 微波等离子体化学气相沉积( MPCVD) 装置中，采用

CH4和H2作气源，在最佳生长工艺参数条件下，可重复制备出高质量的金刚石薄膜。金刚石薄膜晶粒表面平滑，无二次形核，晶粒取

向单一，薄膜致密性好，而且金刚石拉曼峰的半高宽( FWHM) 为7.5 cm-1 左右，接近异质外延CVD 金刚石膜中F

WHM 的最小值。在研究中用硅片做基底，分别在不同形核密度条件下进行金刚石薄膜的生长，从而进行形核密度对金刚石薄膜质量，

晶粒取向以及薄膜表面形貌影响的研究。研究结果表明在合适的生长条件下，形核密度对金刚石薄膜的表面形貌影较小，但对其质量有一

定的影响。 1、引言 金刚石薄膜具有硬度高、热导性好、热膨胀系数小、声传播速度快以及禁带宽度大、摩擦系数低、抗腐ccw,武动乾坤 ,

蚀性好等一系列优异的物理化学性能，使得在机械、光学、微电子、生物医学、航天航空、核能等许多高新技术领域有着广阔的应用前景

。化学气相沉积(CVD) 的金刚石因与天然金刚石具有相近的优异性能，从而受到各领域的广泛关注。目前，人们对金刚石异质外延

生长的薄膜进行了广泛的研究，在低压气相合成金刚石薄膜方法中微波等离子体化学气相沉积法( MPCVD) 是目前应用最普遍、

工艺最成熟的方法。MPCVD 法具有沉积温度低、不存在电极污染、放电区域集中、工作稳定、沉积速度快、有利于核的形成等优点

,因此在沉积高质量金刚石膜，如光学级金刚石膜方面显示出了极大的优势。MPCVD 法主要是通过在微波的激励下，在反应室内产

生辉光放电，使反应气体的分子离化，产生等离子体，在衬底上沉积得到金刚石膜。金刚石薄膜的沉积分为形核和生长两个阶段，形核是

异质外延金刚石膜中非常重要的一步，直接影响着沉积所得金刚石薄膜的性能，如晶粒尺寸、定向生长、附着力、透明度和粗糙度等。在

此阶段，CH4和H2气体通过等离子体作用离化为大量的含碳基团和原子氢，原子氢能够刻蚀sp2 杂化碳键，在这些基团和原子的

共同作用下在沉积基体上形成一定数量孤立的以sp3 杂化碳键结合为主的金刚石晶核。第二阶段是金刚石生长阶段，晶粒进入生长期

后就不再形核，而是形成的金刚石晶核不断长大，沿垂直方向生长成一定厚度的金刚石膜。 虽然目前CVD 金刚石膜的制备和

应用已经取得了很大的进展，但仍然存在一些实际问题，多晶金刚石膜中的杂质和缺陷将直接影响光学级金刚石膜的质量，导致其距离在

光学及电子学等领域的应用还有一定的差距。通过对金刚

石形核密度的研究可以很好地控制金刚石膜的生长及其质量，主要讨论形核密度

对金刚石薄膜表面形貌及薄膜质量的影响。 2、实验条件与方法 实验中使用的是由韩国Woosinent 公司所制造的

,最大输出功率为2 kW ,R2.0 系统的MPCVD 装置。与其他MPCVD 设备相比，该装置基片台下设计有加热盘，可对

基片台进行加热使基片温度稳定在一个合适的范围内，从而可更准确的控制实验过程中的基片温度。实验选用4 片1 cm×1 cm

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