微波等离子体化学气相沉积实验-形核研究

等离子体化学气相沉积技术有影响的应用之一是利用该技术制备金刚石膜。由于膜状的金刚石可以在超硬保护涂层、光学窗口、热沉材料、微电子等多个领域有重要意义，因此科学家认为当人类掌握金刚石膜的制备技术，特别是单晶金刚石膜的制备技术后，依赖材料的历史将从硅材料时代很快进入金刚石时代。不过目前关于等离子体化学气相沉积金刚石膜的机理并没有清楚，特别是异质外延单晶金刚石膜还有很大困难，其主要原因是：低温等离子体处于热的非平衡状态，所用的反应气体也是多原子分子，反应系统复杂，基础数据不足。但是通过20多年大量的理论和实验研究，人们不仅发展了多种等离子体化学气相沉积技术来制备金刚石膜，而且通过对实验数据的分析总结，对影响金刚石膜的生长的因素有了了解。对多晶金刚石膜的生长来说，形核是关键的，而影响形核的因素又是多方面的，包括等离子体条件，基体材料和温度等因素。

在等离子体化学气相沉积金刚石膜时，首先要经历金刚石的形核过程，而形核通常可分为两阶段：一阶段是含碳基团到达基体表面，并向基体内部扩散。二阶段是到达基体表面的碳原子在在基体表面以缺陷、金刚石籽晶等为中心的成核、生长。因此决定金刚石的形核因素包括：  1．基体材料：由于形核取决于基体表面碳的饱和程度以及到达形成核心的临界浓度，[Joflreau,P.O.Haubner, R.and Lux, B., j.Ref.Had Metals 7(4)(198):186-194]因此基体材料的碳的扩散系数对形核有重要影响。扩散系数越大，就越不容易达到形核所需要的临界浓度，如铁、镍、钛等金属基体，直接在这些材料上形核就非常困难；对于碳扩散系数较低的材料，如钨、硅等，金刚石可以快速形核。  2．基体表面研磨：通常金刚石的形核可以通过金刚石微粉对基体表面的研磨来推动。用SiC、 c-BN、Al2O3等材料的研磨对形核也有推动作用。研磨可推动形核的机制主要有两点：一是通过研磨，金刚石微粉的碎屑留在基体表面起晶种的作用；二是研磨可以在基体表面产生大量的微缺陷，表面缺陷是自发形核的有利位置。研究表明研磨材料的晶格常数与金刚石的越接近，增强形核的效果越好，因此通常的研磨材料是采用高温高压法制备的金刚石微粉。  3．等离子体参数：在金刚石形核初期，由于碳向基体内的扩散会在基体的表面形成一个界面层，研究表明等离子体参数对界面层也有重要影响，如硅基体上沉积金刚石膜时，甲烷浓度对SiC界面层的生成就有直接的影响。[Williams， B.E. and Glass, m J.T., J.Mater. Res. 4(2)(1989):373-384]  4．偏压增强形核：在微波等离子体化学气相沉积中，基体一般是加负偏压，即基体的电位相对于等离子体来说是低电位。负偏压的作用是增加了基体表面附近的离子浓度。过高的偏压会由于过多的离子对基体表面和先驱核的溅射而抑制形核，因此偏压增强形核时偏压的大小要合适。