微波等离子体气相沉积

等离子体合成金刚石在20世纪80年代初,一种新的方法出现了,那就是微波等离子体化学气相法合成金刚石薄膜（CVD）制备金刚石薄膜，它成本低，质量高，有利于大规模合成利用,且装置简单,能量集中,反应条件易于控制,产物比较纯净,成为当前研究的主要方向和热点。现在该领域的最新进展是用微波化学气相合成法合成纳米级的金刚石薄膜,纳米级金刚石薄膜除了有普通微米级金刚石薄膜的性质外,还具有高光洁度,高韧性,低场放射电压,是具有广阔应用前景的新材料。摩擦系数低,光洁度高,颗粒极细,硬度高,耐磨度高,可广泛应用医疗,交通,航空航天,工业制造领域的涂料,涂层,钻头,更可为微型机电领域带来革命性的飞跃.许多科学家纷纷预言：21世纪将是金刚石的时代。合成与机理：等离子态是物质的第四态,之所以把等离子体视为物质的又一种基本存在形态，是因为它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质上均有本质区别。即使与气体之间也有着明显的差异。首先，气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体而又在整体上保持电中性。其二，组成粒子间的作用力不同，气体分子间不存在净电磁力，而等离子体中的带电粒子间存在库仑力，并由此导致带电粒子群的种种特有的集体运动。第三，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显地会受到电磁场的影响和约束。需说明的是，并非任何电离气体都是等离子体。只有当电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动时，体系的性质才会从量变到质变，这样的“电离气体”才算转变成等离子体。否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各部分的简单加合，而不具备作为物质第四态的典型性质和特征，仍属于气态。按热力学分析只要压力适当，石墨转变成金刚石在低温下并非不能自发进行，问题在于反应速率太低，以致必须提供苛刻的高温高压条件。但若借助非平衡等离子体，情况就不同了。如用微波放电把适当比例的CH4和H2气激发成等离子体，便可在低于1.0133xl04Pa,800—900°C条件下以相当快的生长速率（lym/h）人工合成金刚石薄膜。依照此原理设计的CVD合成金刚石薄膜的装置都有一共同特性，即使低分子碳烃气体稀释在过量氢气中，在一定电磁能激发产生等离子体，在等离子体中形成局部的高温高压条件,通过适宜的沉积工艺在基片（硅片）上沉积出金刚石薄膜。常用的方法有热丝法、微波法、等离子体炬和燃烧火焰法等。热丝法是利用高温金属丝激发等离子体，装置简单，使用比较方便。但由于金属丝的高温蒸发会将杂质引入金刚石膜中，因此该方法不能制备高纯度的金刚石膜；微波法是利用微波的能量激发等离子体，具有能量利用效率高的优点。同时由于无电极放电，等离子体纯净，是目前高质量、高速率、大面积制备金刚石膜的首选方法；等离子体炬是利用电弧放电产生等离子体，制备的金刚石膜质量高。但由于电弧面积的限制，金刚石膜的面积较小；同时由于电弧点燃及熄灭的热冲击，对金刚石膜的附着力影响很大，设备的磨损大，反应气体的消耗也高；燃烧火焰法是利用乙炔在氧气中燃烧产生的高温激发等离子体，可以在常压下工作，也存在着金刚石膜沉积面积小，不均匀等问题。微波等离子化学气相合成法的主要装置有：微波发生器,石英反应腔，单晶硅片，微流量计,Raman光谱仪，气压计,真空泵。真空泵抽真空，使体系保持在一个低压状态，将烃类气体和氢气以一定比例混合在石英反应腔中，微波发生器发出微波使之在反应腔中形成等离子体，等离子体在抛光Si基片上沉积出金刚石薄膜。沉积过程分为四个阶段(1)H等离子体刻蚀阶段;(2)镜面抛光硅片的表面渗碳期;(3)金刚石晶体成核期;(4)金刚石晶体生长期.CVD法制备金刚石膜的机理目前还没有完全了解，主要是利用单晶硅片的晶格和金刚石晶体相似,具有诱导成核作用,诱导金刚石晶体在硅片上沉积生长.原子氢在金刚石膜生长过程中的主要作用是稳定具有金刚石结构的碳而将石墨结构的碳刻蚀掉。利用CVD中等离子体的高度离子化作用，使C、H、O三者比例在一定的范围区域内，在合适的沉积条件下，得到金刚