應(yīng)用微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)技術(shù)，以CH4/H2/N2為主要?dú)庠�，通過(guò)添加CO2輔助氣體，并與未添加CO2輔助氣體進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行了金剛石膜沉積。研究了添加不同濃度CO2對(duì)生長(zhǎng)金剛石膜的影響。結(jié)果表明：當(dāng)CO2流量在0~25 cm³/min 范圍變化時(shí)，金剛石膜表面粗糙度分別為8.9 nm、6.8 nm、9.2 nm、9.6 nm。表明適量引入CO2可以降低膜面粗糙度，但是進(jìn)一步提高CO2流量，膜面粗糙度反而上升。同時(shí)當(dāng)CO2流量在0~15 cm³/min范圍變化時(shí)，金剛石膜的品質(zhì)和生長(zhǎng)都表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，但是超過(guò)該流量，其品質(zhì)和生長(zhǎng)率都出現(xiàn)下降趨勢(shì)。另外，當(dāng)CO2流量為15 cm³/min，生長(zhǎng)的金剛石膜不僅品質(zhì)好，而且生長(zhǎng)率也較高。

引言

　　眾所周知，化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石具有優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)，在已知的所有自然界物質(zhì)中，CVD金剛石具有超高的硬度和熱導(dǎo)率，最快的聲波傳播速率、低的摩擦系數(shù)、極低的熱膨脹系數(shù)、寬的帶隙、高的紅外透過(guò)率以及良好的化學(xué)惰性。同時(shí)，其具有很高的空穴遷移率及摻雜誘導(dǎo)的半導(dǎo)體特征。CVD金剛石集多種優(yōu)異性質(zhì)于一身，使其在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用，比如機(jī)械加工、表面涂層、光學(xué)窗口及微電子器件等領(lǐng)域。

　　傳統(tǒng)的CVD金剛石膜一般采用的氣源是氫氣和碳?xì)浠�合物，而且采用傳統(tǒng)氣源制備金剛石膜已有幾十年歷史。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試在傳統(tǒng)生長(zhǎng)氣源H2和CH4中添加輔助氣體，如O2和N2，通過(guò)控制工藝參數(shù)，研究了不同輔助氣體對(duì)化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石膜織構(gòu)和性能的影響。特別是最近十幾年，輔助氣體O2 被大量科研機(jī)構(gòu)所采用，研究表明：O2輔助氣體能夠促進(jìn)金剛石的生長(zhǎng)，同時(shí)可以有效的去除金剛石中的石墨碳相等雜質(zhì)，有利于生長(zhǎng)高質(zhì)量金剛石膜。最近幾年，有科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始嘗試引入CO2 輔助氣體，冉均國(guó)等以CH4/ H2/ CO2為氣源，在微波等離子體裝置上研究了碳源體積分?jǐn)?shù)對(duì)生長(zhǎng)速率的影響，研究得出，CO2輔助氣體不僅可以有效的提高金剛石沉積速率，而且還能保證沉積出的金剛石膜具有很好的品質(zhì)。

　　然而以上在研究CO2氣體對(duì)沉積金剛石的影響時(shí)，主要是以CH4/ H2 為氣源，研究添加CO2對(duì)生長(zhǎng)速率的影響。但是有關(guān)以CH4/ H2 /N2為源，然后加入CO2 對(duì)MPCVD制備多晶金剛石的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。文章在傳統(tǒng)含N2等離子環(huán)境中引入CO2，研究了不同CO2 濃度對(duì)金剛石生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明：隨著CO2濃度的升高，金剛石被刻蝕的越來(lái)越明顯；而隨著CO2濃度的上升，金剛石的生長(zhǎng)率先上升后下降，最大沉積速率為CH4/H2/N2 生長(zhǎng)時(shí)的兩倍多。當(dāng)CO2流量為15 cm³/min時(shí)，金剛石膜質(zhì)量最好，超過(guò)該濃度后，質(zhì)量反而呈現(xiàn)出下降。

1、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

　　實(shí)驗(yàn)在型號(hào)為SM840E微波化學(xué)氣相沉積裝置上進(jìn)行，最大輸出功率為2 kW，基片具有自加熱功能，該裝置示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中所采用的基片為鏡面拋光p型(100)取向單晶硅。主要反應(yīng)氣體為CH4、H2和N2，引入輔助氣體為CO2。

圖1 2kW微波等離子裝置橫截面圖

1. 輔助氣體；2. 可移動(dòng)基片臺(tái)；3. 微波(2.45 GHz)；4. 觀(guān)察窗；5. 基片臺(tái)(硅、鎢、鉬等)；6. 紅外測(cè)溫儀；7. 抽氣；8. 等離子體；9. 電熱絲；10. 冷卻水

1.1、基片預(yù)處理

　　由于金剛石很難在鏡面拋光的硅片上形核，所以在沉積之前，首先對(duì)基片進(jìn)行預(yù)處理。其預(yù)處理的具體步驟為：先用粒徑為500 nm的金剛石粉進(jìn)行研磨35 min，然后將研磨好的硅片依次用丙酮和乙醇溶液進(jìn)行超聲清洗30 min，最后用去離子水進(jìn)行漂洗，將清洗干凈的硅片進(jìn)行烘干后放入腔體進(jìn)行下一步操作。

1.2、形核與生長(zhǎng)

　　在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用兩步法：形核、CH4/ H2/N2/不同濃度CO2生長(zhǎng)，即生長(zhǎng)過(guò)程為兩個(gè)階段。其具體工藝參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用裝置所特有的基片自加熱功能，將基片溫度穩(wěn)定在較高溫度，這樣更有利于等離子活化。

表1 金剛石膜形核及生長(zhǎng)工藝參數(shù)

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，基片溫度采用紅外測(cè)溫儀通過(guò)觀(guān)察窗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控所得到。采用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-5510LV，Japan)，以得到沉積膜的表面形貌，晶粒尺寸和斷面等信息。對(duì)沉積得到的金剛石膜用RM-1000型(Raman，DXR，USA)激光拉曼光譜儀進(jìn)行拉曼譜分析，用來(lái)分析樣品成分。用D/max-rA 型X射線(xiàn)衍射儀(XRD)來(lái)表征金剛石膜的晶面取向。

2、結(jié)論

　　采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)技術(shù)，以CH4/H2/N2為主要?dú)庠�，通過(guò)添加CO2輔助氣體，并與未添加CO2輔助氣體進(jìn)行對(duì)比，分析了不同CO2濃度對(duì)生長(zhǎng)金剛石膜的影響，得出結(jié)論：

　　(1)無(wú)CO2氣體引入時(shí)，生長(zhǎng)的金剛石膜晶粒尺寸較為均勻，當(dāng)CO2 流量在0~25 cm3/min 范圍變化時(shí)，金剛石膜表面粗糙度分別為8.9 nm、6.8 nm、9.2 nm、9.6 nm。表明適量引入CO2可以降低膜面粗糙度，但是進(jìn)一步提高CO2流量，膜面粗糙度反而會(huì)上升；

　　(2)未添加CO2時(shí)，生長(zhǎng)的金剛石膜有較多的非金剛石相等雜質(zhì)，在引入CO2流量在0~15 cm³/min范圍變化時(shí)，非金剛石碳相隨著CO2流量增大而減少，但是超過(guò)該范圍，金剛石膜品質(zhì)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)；

　　(3)單純以CH4/H2/N2為氣源時(shí)，其生長(zhǎng)率一般為2.1 μm/h，當(dāng)CO2流量在0~15 cm³/min 范圍變化時(shí)，其生長(zhǎng)率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。特別是當(dāng)CO2流量為15 cm3/min，其生長(zhǎng)率是CH4/H2/N2為氣源的2 倍多，但是繼續(xù)增加CO2流量，生長(zhǎng)率反而下降；

　　(4)為得到品質(zhì)較高，晶型較好，同時(shí)又要具有較高生長(zhǎng)率，CO2流量不宜使用太低或太高，流量在15 cm3/min時(shí)為最佳。