热丝cvd沉积金刚石膜

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1、实验：热丝CVD沉积金刚石膜一、原理：在预抽真空的腔体中，碳氢化合物气体和氢气通过高温热丝裂解，在基体上沉积金刚石薄膜。主要特点是：1.热丝提供的高能量密度足够产生一些重要的活性基CH3、C2H2、原子H等；2.使用的碳氢化合物种类并不十分重要，许多碳氢化合物均可作为碳源；3.基体温度约～600-1000℃；4.依靠馈入气相中C，H或O的比率不同，沉积出具有少量或没有非金刚石相碳的从纳米晶金刚石到单晶金刚石的沉积物，与使用的气相碳源的种类无关。由热力学理论可知，低压沉积的金刚石是在石墨的稳态区、金刚石

2、的亚稳区生成。而在自然状态,作为碳的一种结晶形态,金刚石是亚稳态,石墨是稳态,由于金刚石和石墨的自由能在常温下的化学位十分接近，二者的自由能差只有0.03eV。然而，二者之间有很高的势垒，由热力学可知，如果活化能垒远高于稳态相，则亚稳相能由具有高化学位的前驱物获得，亚稳相一旦形成，由于缺少必要的能量翻越能垒，亚稳相将不能转变成稳定相。因而在常温下金刚石与石墨之间的热力学相变不能进行。但当碳被活化到其化学位超过石墨与金刚石之间的能垒高度时，就能同时沉积石墨碳与金刚石相碳，因此，金刚石的化学气相沉积过程实

3、际上是一个金刚石沉积与石墨沉积相竞争的过程。金刚石沉积的两个关键问题是气相的活化与石墨相的抑制与刻蚀问题。活化采用热丝方法能使气相活化，而金刚石沉积过程中，石墨相的抑制与刻蚀则主要依靠原子H的作用。由于原子H刻蚀石墨的速率远高于刻蚀金刚石的速率（两者相差约50倍），因此，只要有大量的原子H存在，在基体上最终留下的将是亚稳态的金刚石。在形核和生长过程中可能产生的石墨或其他形式的非金刚石相碳要么被抑制，要么被刻蚀掉了。二、实验目的：1掌握热丝CVD沉积金刚石膜的原理；2熟悉热丝CVD装置的原理、构造及操作

4、规程；3了解金刚石薄膜的表征方法三、实验原材料：硅片，丙酮，氢气，钽丝四、主要实验设备：热丝CVD沉积装置，扫描电子显微镜，光学显微镜，光学高温计本实验采用电子增强热丝化学气相沉积装置，直径为300mm的不锈钢钟罩作为反应室，基片台是边长100mm的不锈钢水冷基片台，其上放置厚石墨盘，为保护石墨盘在金刚石薄膜生长过程中不被原子氢刻蚀，在石墨盘上放等直径的厚4mm的钼板，钼板上再放置一片厚度为2mm，直径6mm的铜板，样品放置其上。热丝为直径为0.4mm的Ta丝，Ta丝温度采用光学高温计测量。四、实验步

5、骤：1、热丝（Ta丝）碳化热丝（Ta丝）在使用前先进行碳化，碳化的目的主要是清洁钽丝表面，使钽丝碳化为碳化钽，防止在金刚石形核时，消耗碳源，有利于稳定实验参数，此外，高温碳化还可让钽丝拉直以便准确的测定钽丝与刀具的距离。2、样品预处理样品经过金刚石粉研磨表、清洗，然后干燥备用；或表面清洗以及金刚石粉超声波处理、清洗、干燥；3、形核形核时选择较低的气压及较高的碳源浓度，以便碳原子在基体表面迁移、聚集而形核；典型的形核条件：21V、H2：（H2+CH3COCH3）=160：70，气压：1.0kPa，时间：

6、3-4分钟，4、金刚石膜生长生长时选择较高的气压及较低的碳源浓度，提高生长速度，同时控制金刚石膜质量.典型的生长条件：20V、H2：（H2+CH3COCH3）=160：50，气压：3-6kPa，时间：3~4小时。5、质量检测使用扫描电子显微镜，光学显微镜观察金刚石膜的结晶情况以及显露的晶型，Raman光谱检测金刚石膜的质量。图1SEM图图2Raman谱图片是实验结果，要自己分析，报告中不能没有结果。分析要点：分析时参考下面知识点，自己分析，严禁相互抄袭。光学观察：肉眼观察膜呈表面灰色，光学显微镜观察有

7、反光亮点，为晶面反光Raman：金刚石特征峰峰位为1332cm-1，压应力使峰位向高波数方向移动，根据峰位移动大小可判断沉积的金刚石膜的内应力大小。内应力包括热应力和本征应力，本征应力主要由夹杂、晶体缺陷等产生。1580cm-1附近峰是非金刚石相碳的特征峰，Raman谱对其灵敏度是金刚石的50倍。SEM：主要分析结晶质量和主要显露晶面。金刚石键能高，主要显露（100）和（111）面，（100）面呈正方形；（111）面呈三角形。很多情况下，受生长条件影响，晶面发育不全，不是标准的三角或正方形，但可以大致

8、看出其轮廓，上图主显（111）面与其他材料一样，金刚石膜中的内应力σ也是热应力σth和本征应力σin的和，即σ=σth+σin热应力可以有金刚石基底的热膨胀系数求出：式中：μ是金刚石的弹性模量，E/1－μ为金刚石的双轴弹性模量，T为沉积温度，T0为测量时的沉积温度（一般为室温），αf和αs分别为金刚石薄膜和基底的热膨胀系数。在制备金刚石薄膜的温度范围内，热应力值变化不大，较稳定。本征应力主要是由膜中的杂质等引起的，而张应力是由膜中的空位、位错、晶粒间失配