微波增強(qiáng)等離子體化學(xué)氣相沉積中功率-氣壓-溫度耦合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波增強(qiáng)等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)的改進(jìn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波增強(qiáng)等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)（MPCVD)的原理是利用低溫等離子體（即電 子溫度遠(yuǎn)大于離子溫度的非平衡等離子體）作為能量來(lái)源，并且利用微波對(duì)能量源進(jìn)行增 強(qiáng)，將試件放于低氣壓的陰極上，利用輝光放電或其他發(fā)熱體使試件升溫至特定的溫度，然 后通入適量的反應(yīng)氣體，氣體通過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)，形成電子、正負(fù)離子、激發(fā)態(tài)原子、原 子以及自由基的混合態(tài)，進(jìn)而在試件表面生成固態(tài)薄膜。它具有沉積溫度低、速率快，膜基 結(jié)合強(qiáng)度好、無(wú)氣體污染及電極腐蝕、電離分解程度高、等離子體密度高等優(yōu)點(diǎn)，在制備金 剛石薄膜時(shí)，結(jié)晶度高、晶體缺陷少、表面平整，是制備高質(zhì)量金剛石薄膜的理想方法。
[0003] MPCVD工藝參數(shù)之間都是相互聯(lián)系、相互影響的。其中，基體溫度、功率密度和沉積 氣壓對(duì)于金剛石薄膜的制備的影響較大，制備過(guò)程中單一變量的調(diào)整均會(huì)引起試樣質(zhì)量的 較大變化。
[0004] 首先，根據(jù)CVD金剛石生長(zhǎng)的原理，普遍認(rèn)為一般的化學(xué)氣相沉積發(fā)以甲烷和氫 氣為混合氣體制備金剛石時(shí)，機(jī)體溫度都在700°C以上才能實(shí)現(xiàn)，但是過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致過(guò) 快的生長(zhǎng)速率，從而使金剛石晶粒較大、晶粒間孔洞較多，且金剛石在高于1200°C時(shí)會(huì)發(fā)生 石墨化。其次，功率越大，等離子體密度越高，等離子體中活性基團(tuán)（如CH3,CH2,H)越多金 剛石形核，從而其性和密度越大，生長(zhǎng)速率越快。但是如果輸入的功率過(guò)大，在一定的反應(yīng) 氣體氣壓下，等離子體球的激活溫度將會(huì)很高，造成襯底表面上溫度過(guò)高而不利于金剛石 薄膜的沉積和生長(zhǎng)。最后，沉積室氣壓的大小決定了等離子體球中電子和中性氣體分子的 碰撞幾率，從而影響參加反應(yīng)的活性基的活性和數(shù)量，直接影響金剛石膜的質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的MPCVD技術(shù)制備金剛石薄膜過(guò)程中，由于基體溫度、功率 密度和沉積氣壓對(duì)于制備出的金剛石薄膜質(zhì)量影響大的問(wèn)題，而提供的一種MPCVD技術(shù)的 改進(jìn)方法。
[0006] 本發(fā)明的微波增強(qiáng)等離子體化學(xué)氣相沉積中功率-氣壓-溫度耦合方法，它是按 照以下步驟實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 步驟一、采用MPCVD法制備單晶金剛石；
[0008] 步驟二、利用體式顯微鏡、Raman衍射儀和PL譜對(duì)步驟一制備的單晶金剛石進(jìn)行 質(zhì)量檢測(cè)；
[0009] 步驟三、采集制備質(zhì)量合格單晶金剛石MPCVD法中的功率、沉積氣壓和基體溫度 參數(shù)；
[0010] 步驟四、依據(jù)實(shí)驗(yàn)采集參數(shù)利用Origin軟件結(jié)合下述公式對(duì)功率、沉積氣壓和機(jī) 體溫度參數(shù)進(jìn)行耦合：
[0011] ks= 0. 5kgns[y/mg]1/2；
[0012] 其中，ks、kg為基體和氣相的反應(yīng)速率，ns為對(duì)稱系數(shù)，μ為總反應(yīng)物的質(zhì)量減小 量，mg為被氣體除去的樣品質(zhì)量；
[0013] 則（100)面的吉布斯自由能為：
[0014]
其中，CH3中為活性基，Η為氫原子，η3為金剛石 (100)面總的摩爾面密度，nd為金剛石體密度，kpk2、k3、匕和k5為反應(yīng)速率常數(shù)。
[0015] 根據(jù)MPCVD制備金剛石膜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，反應(yīng)壓強(qiáng)、功率與活性基[H]的密度關(guān) 系如圖1。
[0016] CVD金剛石在活性中心的反應(yīng)原理如式1所示：
[0018] 而CH3活性基的吸附以及脫氫反應(yīng)的原理如式2所示：
[0020] 其中，CdH為氫化了的表面碳原子，Ccf為用于生長(zhǎng)的活性基，為活性基，Η為 氫原子，Η2為氫氣分子，CH3為活性基，而k k6為各個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)。
[0021] 可以看出，MPCVD金剛石生長(zhǎng)過(guò)程中，5項(xiàng)構(gòu)成金剛石膜生長(zhǎng)的反應(yīng)之間互相關(guān) 聯(lián)，這從理論上說(shuō)明了MPCVD工藝參數(shù)之間都是相互聯(lián)系、相互影響的。我們發(fā)現(xiàn)，基體溫 度、功率密度和沉積氣壓對(duì)于金剛石薄膜的制備的影響較大，制備過(guò)程中單一變量的調(diào)整 均會(huì)引起試樣質(zhì)量的較大變化。
[0022] 本發(fā)明為了消除單一變量的改動(dòng)對(duì)于金剛石膜生長(zhǎng)質(zhì)量的較大影響，挑選出使用 不同制備工藝時(shí)生長(zhǎng)的金剛石中質(zhì)量高的為數(shù)據(jù)樣本。將數(shù)據(jù)樣本中的基體溫度、功率密 度和沉積氣壓三者進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，得到優(yōu)質(zhì)MPCVD金剛石的基體溫度、功率密度和沉積氣 壓三者耦合的經(jīng)驗(yàn)曲線，并將其進(jìn)行程序編程進(jìn)行控制，以便在后續(xù)的制備過(guò)程中，當(dāng)調(diào)節(jié) 三項(xiàng)參數(shù)的任意一項(xiàng)時(shí)，其余兩項(xiàng)均可自動(dòng)迅速變化至相應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)曲線上，使金 剛石質(zhì)量保持較高的狀態(tài)，且削弱調(diào)控單一變量時(shí)對(duì)金剛石膜生長(zhǎng)質(zhì)量的影響。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為通入不同甲烷含量時(shí)活性基呢和[H]的含量關(guān)系圖，其中，A為8%的CH4 曲線，B為6%的CH4曲線，C為4%的CH4曲線，D為2%的CH4曲線，E為1%的CH4曲線；
[0024] 圖2為制備時(shí)產(chǎn)生有利等離子體的氣壓-功率關(guān)系圖；
[0025] 圖3為體式顯微鏡下質(zhì)量較優(yōu)的金剛石試樣檢測(cè)結(jié)果圖；
[0026] 圖4為Raman衍射圖譜中質(zhì)量較優(yōu)的金剛石試樣檢測(cè)結(jié)果圖；
[0027] 圖5為質(zhì)量較優(yōu)的金剛石試樣PL譜檢測(cè)結(jié)果圖；
[0028] 圖6為Origin擬合出的功率、氣壓、溫度之間的耦合曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0029] 一：本實(shí)施方式的微波增強(qiáng)等離子體化學(xué)氣相沉積中功率-氣 壓-溫度耦合方法，它是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的：
[0030] 步驟一、采用MPCVD法制備單晶金剛石；
[0031] 步驟二、利用體式顯微鏡、Raman衍射儀和PL譜對(duì)步驟一制備的單晶金剛石進(jìn)行 質(zhì)量檢測(cè)；
[0032] 步驟三、采集制備質(zhì)量合格單晶金剛石MPCVD法中的功率、沉積氣壓和基體溫度 參數(shù)；
[0033] 步驟四、依據(jù)實(shí)驗(yàn)采集參數(shù)利用Origin軟件結(jié)合下述公式對(duì)功率、沉積氣壓和機(jī) 體溫度參數(shù)進(jìn)行耦合：
[0034] ks= 0. 5kgns[y/mg]1/2；
[0035] 其中，ks、kg為基體和氣相的反應(yīng)速率，ns為對(duì)稱系數(shù)，μ為總反應(yīng)物的質(zhì)量減小 量，mg為被氣體除去的樣品質(zhì)量；
[0036] 則（10