D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.05.019 第22卷第5期 北京科技大学学报 Vol.22 No.5 2000年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct2000 大面积金刚石膜的均匀沉积 黄天斌 刘敬明 唐伟忠 钟国仿 蒋 政 吕反修 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究了大面积金刚石膜沉积过程中的均匀性问题和金刚石膜质量的均匀性问题，研究 表明：用于生长金刚石膜的大面积磁旋转等离子体电弧是均匀的，能使气体混合均匀：金刚石 膜在形核阶段是均匀的：金刚石膜在生长阶段是均匀的，有利于提高成膜几率：沉积后的金刚 石膜的质量是均匀的，大面积磁控长通道等离子矩能生长均匀的金刚石膜，可用于金刚石膜的 研究和工业生产 关键词大面积：金刚石膜：均匀性 分类号TB43文献标识码：A 目前世界上还只有少数研究单位，如美国 地转变为SP键.在金刚石膜生长过程中，基片 的Norton公司m、Raython公司四、GE公司)，英国 温度和腔压也影响金刚石膜的质量，合理地调 的Diamanx公司等有能力制备高质量的金刚 节碳氢配比、基片温度和腔压就可以生长出高 石膜，直流电弧等离子体法是生长高质量金刚 质量的金刚石膜. 石膜的有效方法，其优点是生长速度快.此法用 直流弧光放电，使以CH、H,为主要成分的混合 循环气H/CH 气体形成高温等离子体，然后将其喷射到基 阴极 片上，等离子体的高能量及它所伴有的化学反 励磁线圈 引弧嘴 应会使甲烷中的碳原子牢牢结合成金刚石的多 限速环 晶体.我们课题组用等离子体做出过小面积透 明金刚石膜”，这已在国内处于领先地位，如再 想提高生长面积，均匀性是一个必须解决的问 阳极喷嘴 题.金刚石膜生长的各个环节的均匀性是大面 冷却通道 积沉积和提高质量的关键. 1实验方法 图1大面积等离子体炬的示意图 Fig.1 Schematic diagram of large area de plasma torch 实验采用直流等离子体喷射的方法进行， 炬的示意图如图1所示.由于炬中有磁场，等离 2实验结果与讨论 子体就可以在磁场的作用下进行旋转，形成均 匀的电弧.在炬中通入氩气、氢气和甲烷3种气 21电弧状态的均匀性 体，氩气的主要作用是保护阴极和调节电弧，氢 对直流磁旋转等离子体炬的电弧状态进行 气和甲烷参与生长，金刚石的生长过程是碳的 研究，发现等离子体电弧比较稳定和均匀.由于 沉积和被刻蚀的动力学平衡过程.碳的过饱和 氩气是从中心加入的，氩气发的光比较亮，所以 度提供了形成金刚石、非晶碳和石墨的驱动力， 从图2中看到边上颜色比较浅.但实际上电弧 原子氢抑制或刻蚀非金刚石碳，并使SP键部分 是很均匀的，只是发光的颜色不一样.图2所示 的电弧经过了收缩再扩张的过程.在这种电弧 2000-03-18收稿黄天斌男，28岁，博士 中气体能得到很好的混合，气体成分比较均匀. *国家“863”高科技资助项目(N0.715-002-Z030)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ’ 一 大面积金刚石膜的均 匀沉积 黄天斌 刘敬明 唐伟忠 钟 国仿 蒋 政 吕反修 北京科技大学材料科学与工程学 院 ， 北京 摘 要 研 究 了大面积金 刚石 膜沉积 过程 中的均 匀性 问题和 金 刚石膜 质 量 的均 匀 性 问题 研 究 表 明 用 于 生 长金 刚石 膜 的大面积磁旋转 等 离子 体 电弧是均 匀 的 ， 能使气 体 混合 均匀 金 刚石 膜在 形核 阶段是均匀 的 金 刚石 膜在 生长 阶段 是均匀 的 ， 有 利于提高成膜几率 沉积 后 的金 刚 石 膜 的质量是均 匀 的 大 面积磁控长通道等 离子矩 能 生长 均匀 的金 刚石膜 ， 可用 于金刚石膜 的 研究和 工 业生产 ， 关键词 大面积 金 刚石 膜 均 匀性 分类号 文献标识码 目前世 界 上 还 只 有 少 数研 究单 位 ， 如 美 国 的 公 司 【‘，、 公 司‘，，、 公 司 「，，， 英 国 的 公 司 ‘ 等有 能 力制 备 高质量 的金 刚 石膜 直流 电弧等 离子 体法 是 生 长 高质 量 金 刚 石膜 的有 效方法 ， 其优点 是 生长速度快 此法用 直流 弧光放 电 ， 使 以 凡 、 ， 为主 要 成分 的混合 气 体形 成 高温等离子 体 【， ， 然 后将其 喷射 到基 片上 ， 等离子 体 的高 能量及 它 所伴有 的化 学 反 应会使 甲烷 中的碳原 子 牢 牢 结合 成金 刚石 的多 晶体 我们 课题组 用 等离子 体 做 出过 小面 积 透 明金 刚 石膜门 ， 这 己在 国 内处 于 领先 地位 ， 如 再 想 提 高生 长 面 积 ， 均 匀 性 是 一 个 必 须 解 决 的 问 题 金 刚 石 膜 生 长 的各个环节 的均 匀性是 大 面 积 沉积和 提 高质量 的关键 地 转变 为 护 键 在 金 刚 石膜 生 长 过程 中 ， 基 片 温度和 腔压 也 影 响金 刚石膜 的质量 合 理地调 节 碳氢配 比 、 基 片温度 和 腔压 就 可 以生 长 出 高 质量 的金 刚 石 膜 循环 气 尤凡 励磁线圈 脚长郊李 郎攘 义 只 实验方法 实验 采用 直 流 等 离子 体 喷射 的方 法进行 ， 炬 的示 意 图如 图 所示 由于炬 中有磁场 ， 等离 子 体就 可 以在磁场 的作 用 下 进行旋 转 ， 形 成均 匀 的 电弧 在炬 中通入氢气 、 氢气 和 甲烷 种气 体 ， 氢气 的主 要 作 用 是 保护 阴极和 调 节 电弧 ， 氢 气 和 甲烷参 与 生 长 金 刚石 的 生 长 过程 是 碳 的 沉积 和 被刻蚀 的动 力学平 衡 过程 碳 的过饱和 度提供 了形 成金刚石 、 非 晶碳和 石 墨 的驱动力 原子氢抑制或刻蚀非金刚石碳 ， 并使 护 键部分 一 一 收稿 黄天斌 男 ， 岁 ， 博士 国家 “ 高科技资助项 目 · 图 大面积等离子体炬的示意图 啥 · 认 纽 妞 代 实验结果与讨论 电弧状态 的均 匀性 对 直流磁旋转等离子 体炬 的 电弧状态进行 研究 ， 发现等离子体 电弧 比较稳定和 均匀 由于 氢气 是从 中心 加 入 的 ， 氢气发 的光 比较亮 ， 所 以 从 图 中看 到边上 颜色 比较 浅 但 实际 上 电弧 是很均匀 的 ， 只 是 发光 的颜色不 一样 图 所示 的 电弧 经 过 了收缩再扩 张 的过程 在 这种 电弧 中气 体 能得到很好 的混合 ， 气体成分 比较均匀 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．05．019
+468+ 北京科技大学学报 2000年第5期 基片边缘位置的形核情况.从图中可以看出，金 刚石膜的晶核的大小和分布都是均匀的，大口 径的等高子体炬能均匀地形核 23成膜后的均匀性 在很好地控制金刚石膜的生长的情况下， 进行均匀生长的实验.采用直径为60mm的基 片，整个上表面都磨光，然后进行超声清洗.观 察不同位置崩裂下的金刚石膜生长面的形貌， 田1大面积锦高子体炬的电道状态 发现大面积金刚石膜是很均匀的，图5是大面 Fig.2 The state of large area plasma arc 积金刚石膜中心位置的形貌，图6是大面积金 2.2形核阶段的均匀性 在基片的中心位置和边缘位置各放置1个 试样片，形核后观察其形貌.基片不转动，基片 温度控制在870℃左右，甲烷质量分数为1%.在 实验前，试样片都经过超声清洗，以确保清洁。 2个试样片的尺寸和材质相同，使两者具有可 比性. 图3是基片中心位置的形核情况，图4是 图5成酿后中心位置的扫描电镜照片 Fig5 SEM of centre of the thick flm sample 图6成膜后边缘位置的扫描电续照片 图3中心位量的扫猎电绩照片 Flg.6 SEM of edge of the thick flm sample Fig.3 SEM of centre of the nucleation sample 刚石膜边缘位置的形貌，从形貌来看，中心位置 和边缘差不多.对不同位置的金刚石膜的生长 面进行喇曼分析，图7是大面积金刚石膜中心 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.11.21.31.41.51.61.7 图4边缘位置的扫描电镜佩片 成膜后波数/x10cm' Fig.4 SEM of edge of the nucleation sample 图7中心位置的刚曼谱 Fig.7 Raman spectrum of centre of the thick film sample
VoL22 No.5 黄天斌等：大面积金刚石膜的均匀沉积 ◆469◆ 位置的喇曼谱，图8是大面积金刚石膜边缘位 长的阶段取得大范围的均匀性.大面积等离子 置的喇曼谱.从2幅喇曼谱来看，大面积金刚石 体所沉积的金刚石膜在质量上也是均匀的. 膜的金刚石相的分布是均匀的.因此，可以说大 参考文献 面积金刚石膜的质量是均匀的，从喇曼谱来看， 无明显的石墨峰，说明所生长的金刚石膜质量 1 Grant Lu,Kevin J Gray,E Frederick Borchelt,et al.Free 是较好的. Standing White Diamond for Thermal and Optical Appli- cation.Diamond and Related Materials,1993,2:1064 1.8 2 Daniel C Harris.Status For Infrared Applications.In:A 1.6 Feldman Proc 3rd Int Conf on Appl of Diamond Films and Related Materials.Boulder:NIST,1995,539 12 3 Develyn MP,Edward B Stokes,Peter J Codella,et al.Pro- 1.0 perties of Diamond for Optical Application.In:A Feld- manProc 3rd Int Conf on Appl of Diamond Films and Re- 0.8 lated Materials.Boulder:NIST,1995.547 0.6 4 CJH Wort,JR Brandon,BSC Dom,et al.Propeties of CVD 0.4 Diamond Domes.In:A Feldman Proc 3rd Int Conf on 1.11.21.31.41.51.61.7 Appl of Diamond Films and Related Materials.Boulder: 成膜后波数/×10cm NIST,1995.569 图8成膜后边缘位重的喇受谱 5 Yukio Saito,Kouji Sato,Kenichi Gomi,et al.Diamond Fig.8 Raman spectrum of edge of the thick film sample Synthesis from CO-H,Mixed Gas Plasma.Journal of Ma- terials Science,1990,25(2):1246 3结论 6 K Aoyama,H Vyama,O Matsomoto.Diamond Deposition with Ar-CO,-CH,-H2 Plasma Jet.Diamond and Related 本文所采用的等离子体炬结构上是合理的， Materials,1993,2(2):337 大面积磁旋转等离子体所产生的电弧是均匀的， 7钟国钫.1O0kW级DC Arc Plasma Jet CVD金刚石膜 适于生长大面积金刚石膜，运用大面积磁旋转 沉积系统的研制：[学位论文].北京：北京科技大学 等离子体喷射沉积金刚石膜，可以在形核和生 材料科学与工程学院，1997 Uniformity of Large Area Diamond Films HUANG Tianbin,LIU Jingming,TANG Weizhong,ZHONG Guofang,JIANG Zheng,LU Fanxiu Material Science and Engineering SchooL,UST Beijing,Beijing100083,China ABSTRACT The uniformity of large area diamond films in deposition process and quality of diamond films is researched.The results show that the DC arc used for deposition of diamond films is uniform.Diamond films are uniform in the process of nucleation and the growth.The quality of large area diamond films is uniform. KEY WORDS large area;diamond films;uniformity
一 黄天斌 等 大面积金刚 石膜 的均 匀沉积 ， 位 置 的喇 曼谱 ， 图 是 大面 积 金 刚石膜边缘位 置 的喇 曼谱 从 幅喇曼谱来看 ， 大面 积金 刚石 膜 的金 刚石相 的分布是均匀 的 因此 ， 可 以说大 面积金 刚石膜 的质量是均匀 的 从 喇曼谱来看 ， 无 明 显 的石 墨 峰 ， 说 明所 生长 的金 刚 石 膜质量 是较好 的 长 的阶 段取得 大范 围 的均 匀 性 大面积 等离子 体所沉积 的金 刚石 膜在质量上 也 是 均 匀 的 参 考 文 献 ，‘ ，︸八托 侧慧胃 成膜后 波 数 护 一 ， 图 成膜后边缘位 的喇曼谱 啥 · 几 灯】 结论 本文所采用 的等离子体炬结构上是合理 的 ， 大面积磁旋转等离子体所产生 的电弧是均匀 的 ， 适于 生长大 面 积 金 刚石膜 运用 大面积 磁 旋 转 等 离 子 体 喷射 沉积 金 刚 石膜 ， 可 以在 形核 和 生 仆 认 ‘ 珑 切 闭 歇 助 ， ， 出云 仓 即 助 ， ， ， 刁 ， ， 价。 讲币 找玲 取 ， ， 珑 ， ， 乃旧伴 们。 ， 、 仙 ， ， ， 加 一玩 了 ， ， 竹一 珍 改 ， ， 钟 国访 级 金 刚石 膜 沉积 系 统 的研制 学位论文 北京 北京科技大学 材料科学与 工 程 学 院 ， 加 ， 脚才够 别刃 肠七 ， ， 了 咬刃 叹多 比 刀 访 ， ， 田名 八 山 耐几