微波等離子體氣相沉積

等離子體合成金剛石在20世紀(jì)80年代初,一種新的方法出現(xiàn)了,那就是微波等離子體化學(xué)氣相法合成金剛石薄膜（CVD）制備金剛石薄膜，它成本低，質(zhì)量高，有利于大規(guī)模合成利用,且裝置簡(jiǎn)單,能量集中,反應(yīng)條件易于控制,產(chǎn)物比較純凈,成為當(dāng)前研究的主要方向和熱點(diǎn)?，F(xiàn)在該領(lǐng)域的最新進(jìn)展是用微波化學(xué)氣相合成法合成納米級(jí)的金剛石薄膜,納米級(jí)金剛石薄膜除了有普通微米級(jí)金剛石薄膜的性質(zhì)外,還具有高光潔度,高韌性,低場(chǎng)放射電壓,是具有廣闊應(yīng)用前景的新材料。摩擦系數(shù)低,光潔度高,顆粒極細(xì),硬度高,耐磨度高,可廣泛應(yīng)用醫(yī)療,交通,航空航天,工業(yè)制造領(lǐng)域的涂料,涂層,鉆頭,更可為微型機(jī)電領(lǐng)域帶來(lái)革命性的飛躍.許多科學(xué)家紛紛預(yù)言：21世紀(jì)將是金剛石的時(shí)代。合成與機(jī)理：等離子態(tài)是物質(zhì)的第四態(tài),之所以把等離子體視為物質(zhì)的又一種基本存在形態(tài)，是因?yàn)樗c固、液、氣三態(tài)相比無(wú)論在組成上還是在性質(zhì)上均有本質(zhì)區(qū)別。即使與氣體之間也有著明顯的差異。首先，氣體通常是不導(dǎo)電的，等離子體則是一種導(dǎo)電流體而又在整體上保持電中性。其二，組成粒子間的作用力不同，氣體分子間不存在凈電磁力，而等離子體中的帶電粒子間存在庫(kù)侖力，并由此導(dǎo)致帶電粒子群的種種特有的集體運(yùn)動(dòng)。第三，作為一個(gè)帶電粒子系，等離子體的運(yùn)動(dòng)行為明顯地會(huì)受到電磁場(chǎng)的影響和約束。需說(shuō)明的是，并非任何電離氣體都是等離子體。只有當(dāng)電離度大到一定程度，使帶電粒子密度達(dá)到所產(chǎn)生的空間電荷足以限制其自身運(yùn)動(dòng)時(shí)，體系的性質(zhì)才會(huì)從量變到質(zhì)變，這樣的“電離氣體”才算轉(zhuǎn)變成等離子體。否則，體系中雖有少數(shù)粒子電離，仍不過(guò)是互不相關(guān)的各部分的簡(jiǎn)單加合，而不具備作為物質(zhì)第四態(tài)的典型性質(zhì)和特征，仍屬于氣態(tài)。按熱力學(xué)分析只要壓力適當(dāng)，石墨轉(zhuǎn)變成金剛石在低溫下并非不能自發(fā)進(jìn)行，問(wèn)題在于反應(yīng)速率太低，以致必須提供苛刻的高溫高壓條件。但若借助非平衡等離子體，情況就不同了。如用微波放電把適當(dāng)比例的CH4和H2氣激發(fā)成等離子體，便可在低于1.0133xl04Pa,800—900°C條件下以相當(dāng)快的生長(zhǎng)速率（lym/h）人工合成金剛石薄膜。依照此原理設(shè)計(jì)的CVD合成金剛石薄膜的裝置都有一共同特性，即使低分子碳烴氣體稀釋在過(guò)量氫氣中，在一定電磁能激發(fā)產(chǎn)生等離子體，在等離子體中形成局部的高溫高壓條件,通過(guò)適宜的沉積工藝在基片（硅片）上沉積出金剛石薄膜。常用的方法有熱絲法、微波法、等離子體炬和燃燒火焰法等。熱絲法是利用高溫金屬絲激發(fā)等離子體，裝置簡(jiǎn)單，使用比較方便。但由于金屬絲的高溫蒸發(fā)會(huì)將雜質(zhì)引入金剛石膜中，因此該方法不能制備高純度的金剛石膜；微波法是利用微波的能量激發(fā)等離子體，具有能量利用效率高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于無(wú)電極放電，等離子體純凈，是目前高質(zhì)量、高速率、大面積制備金剛石膜的首選方法；等離子體炬是利用電弧放電產(chǎn)生等離子體，制備的金剛石膜質(zhì)量高。但由于電弧面積的限制，金剛石膜的面積較?。煌瑫r(shí)由于電弧點(diǎn)燃及熄滅的熱沖擊，對(duì)金剛石膜的附著力影響很大，設(shè)備的磨損大，反應(yīng)氣體的消耗也高；燃燒火焰法是利用乙炔在氧氣中燃燒產(chǎn)生的高溫激發(fā)等離子體，可以在常壓下工作，也存在著金剛石膜沉積面積小，不均勻等問(wèn)題。微波等離子化學(xué)氣相合成法的主要裝置有：微波發(fā)生器,石英反應(yīng)腔，單晶硅片，微流量計(jì),Raman光譜儀，氣壓計(jì),真空泵。真空泵抽真空，使體系保持在一個(gè)低壓狀態(tài)，將烴類(lèi)氣體和氫氣以一定比例混合在石英反應(yīng)腔中，微波發(fā)生器發(fā)出微波使之在反應(yīng)腔中形成等離子體，等離子體在拋光Si基片上沉積出金剛石薄膜。沉積過(guò)程分為四個(gè)階段(1)H等離子體刻蝕階段;(2)鏡面拋光硅片的表面滲碳期;(3)金剛石晶體成核期;(4)金剛石晶體生長(zhǎng)期.CVD法制備金剛石膜的機(jī)理目前還沒(méi)有完全了解，主要是利用單晶硅片的晶格和金剛石晶體相似,具有誘導(dǎo)成核作用,誘導(dǎo)金剛石晶體在硅片上沉積生長(zhǎng).原子氫在金剛石膜生長(zhǎng)過(guò)程中的主要作用是穩(wěn)定具有金剛石結(jié)構(gòu)的碳而將石墨結(jié)構(gòu)的碳刻蝕掉。利用CVD中等離子體的高度離子化作用，使C、H、O三者比例在一定的范圍區(qū)域內(nèi)，在合適的沉積條件下，得到金剛