D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.05.025 第30卷第5期 北京科技大学学报 Vol.30 No.5 2008年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2008 声表面波器件金刚石薄膜基片的制备工艺 张玉军吕反修张建军陈良贤 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要为制备高质量的声表面波器件，探索金刚石薄膜的沉积工艺，采用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积技术和特殊 的复合衬底技术，在单晶硅衬底上制备了大面积、高质量的金刚石薄膜，成功解决了单晶硅衬底在沉积金刚石薄膜过程中产 生的变形问题：研究了甲烷浓度和沉积温度对金刚石薄膜质量的影响，优化了沉积工艺·结果表明，甲烷气体体积分数为 1.8%时，晶粒最为细小，同时金刚石薄膜的表面粗糙度最小，表面最为光滑.衬底温度为1000℃时生长的金刚石薄膜的晶粒 尺寸较小. 关键词金刚石薄膜：直流电弧等离子体喷射化学气相沉积：复合村底：制备工艺 分类号TN305.8 Technique of preparing diamond films on poly-substrate by DC-arc plasma jet CVD for surface acoustic wave devices ZHA NG Yujun,LV Fanxiu,ZHA NG Jianjun,CHEN Liangxian School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083 ABSURACT In order to synthesize high quality surface acoustic wave devices and explore the deposition process of diamond films. large-area high-quality diamond films were deposited on silicon substrate by DC-arc plasma jet CVD.Deformation of the silicon sub- strate which happened in the deposition process was eliminated by a special poly-substrate technique.The influences of the concentra- tion of methane and the temperature of the substrate on the diamond films were studied,and the deposit process was optimized.The results showed that fine grain diamond films were gained when the volume fraction of methane was 1.8%and the temperature of the substrate was 1000C.The roughness of the diamond films deposited under this condition is the lowest. KEY WORDS diamond films:DC-are plasma jet CVD:poly-substrate:process 单晶硅是一种非常重要的半导体材料，被普遍 衬底在金刚石薄膜沉积后的变形（翘曲）都十分严 用作低压气相生长金刚石薄膜的衬底材料，是到目 重，严重影响了金刚石膜基片的抛光，甚至使后续的 前为止被研究得最多、最详细的一种衬底材料山. 抛光工序无法进行，尽管很多学者都采用微波等离 生长有金刚石薄膜的单晶硅被应用于许多行业，随 子体CVD沉积金刚石薄膜，但是衬底也会产生 着信息和通讯技术的高速发展，声表面波(SAW)器 较大变形，微波等离子体CVD法的低沉积速率也无 件对这种材料提出了更高的要求2).目前单晶硅片 法满足研究和生产的迫切需求。此外，金刚石薄膜 的发展趋势是厚度薄(0.3mm以下)、直径大)，人 的大面积均匀沉积也非常困难， 工合成金刚石薄膜的方法虽然种类多样，但大都采 本文采用特殊的复合衬底技术，改善了衬底与 用化学气相沉积(CVD)技术.要在薄而大的单晶硅 沉积台之间的热接触，成功解决了单晶硅衬底在沉 衬底上生长金刚石薄膜并非易事，因为无论采用何 积金刚石薄膜过程中产生的变形问题，采用直流电 种化学气相沉积技术，都会产生一定的高温，单晶硅 弧等离子体喷射化学气相沉积技术，在单晶硅衬底 上制备了大面积的金刚石薄膜，优化了沉积工艺，为 收稿日期：2007-03-26修回日期.2007-05-19 研制声表面波器件提供了高质量的基片· 基金项目：北京科技大学和中国电子科技集团公司第二十六研究所 合作项目 1实验方法 作者简介：张玉军(1984一)男，硕士研究生：吕反修(1943一)男， 教授，博士生导师，E mail:fxlm@163.com 实验采用特殊的复合衬底技术设计了如图1所
声表面波器件金刚石薄膜基片的制备工艺 张玉军 吕反修 张建军 陈良贤 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 为制备高质量的声表面波器件探索金刚石薄膜的沉积工艺采用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积技术和特殊 的复合衬底技术在单晶硅衬底上制备了大面积、高质量的金刚石薄膜成功解决了单晶硅衬底在沉积金刚石薄膜过程中产 生的变形问题．研究了甲烷浓度和沉积温度对金刚石薄膜质量的影响优化了沉积工艺．结果表明甲烷气体体积分数为 1∙8％时晶粒最为细小同时金刚石薄膜的表面粗糙度最小表面最为光滑．衬底温度为1000℃时生长的金刚石薄膜的晶粒 尺寸较小． 关键词 金刚石薄膜；直流电弧等离子体喷射化学气相沉积；复合衬底；制备工艺 分类号 T N305∙8 Technique of preparing diamond films on poly-substrate by DC-arc plasma jet CVD for surface acoustic wave devices ZHA NG Y ujunLV FanxiuZHA NG JianjunCHEN Liangxian School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083 ABSURACT In order to synthesize high quality surface acoustic wave devices and explore the deposition process of diamond films large-area high-quality diamond films were deposited on silicon substrate by DC-arc plasma jet CVD．Deformation of the silicon substrate which happened in the deposition process was eliminated by a special poly-substrate technique．T he influences of the concentration of methane and the temperature of the substrate on the diamond films were studiedand the deposit process was optimized．T he results showed that fine grain diamond films were gained when the volume fraction of methane was1∙8％ and the temperature of the substrate was1000℃．T he roughness of the diamond films deposited under this condition is the lowest． KEY WORDS diamond films；DC-arc plasma jet CVD；poly-substrate；process 收稿日期：2007-03-26 修回日期：2007-05-19 基金项目：北京科技大学和中国电子科技集团公司第二十六研究所 合作项目 作者简介：张玉军（1984—）男硕士研究生；吕反修（1943—）男 教授博士生导师E-mail：fxlu＠163．com 单晶硅是一种非常重要的半导体材料被普遍 用作低压气相生长金刚石薄膜的衬底材料是到目 前为止被研究得最多、最详细的一种衬底材料［1］． 生长有金刚石薄膜的单晶硅被应用于许多行业随 着信息和通讯技术的高速发展声表面波（SAW）器 件对这种材料提出了更高的要求［2］．目前单晶硅片 的发展趋势是厚度薄（0∙3mm 以下）、直径大［3］．人 工合成金刚石薄膜的方法虽然种类多样但大都采 用化学气相沉积（CVD）技术．要在薄而大的单晶硅 衬底上生长金刚石薄膜并非易事因为无论采用何 种化学气相沉积技术都会产生一定的高温单晶硅 衬底在金刚石薄膜沉积后的变形（翘曲）都十分严 重严重影响了金刚石膜基片的抛光甚至使后续的 抛光工序无法进行．尽管很多学者都采用微波等离 子体 CVD 沉积金刚石薄膜［4］但是衬底也会产生 较大变形微波等离子体CVD 法的低沉积速率也无 法满足研究和生产的迫切需求．此外金刚石薄膜 的大面积均匀沉积也非常困难． 本文采用特殊的复合衬底技术改善了衬底与 沉积台之间的热接触成功解决了单晶硅衬底在沉 积金刚石薄膜过程中产生的变形问题．采用直流电 弧等离子体喷射化学气相沉积技术在单晶硅衬底 上制备了大面积的金刚石薄膜优化了沉积工艺为 研制声表面波器件提供了高质量的基片． 1 实验方法 实验采用特殊的复合衬底技术设计了如图1所 第30卷 第5期 2008年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．5 May2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．05．025
第5期 张玉军等：声表面波器件金刚石薄膜基片的制备工艺 .545 示的复合衬底，该复合衬底材料为导热性能极好的 用100kW等离子体喷射设备在硅衬底上沉积 紫铜.实验中的单晶硅（参数见表1）直径为50.8 金刚石薄膜，该设备的直流电弧等离子体炬用磁场 mm,所以圆槽的直径要比单晶硅的直径略大，以保证 控制，以得到旋转电弧，实现等离子体均匀地喷射到 能轻易地放入、取出单晶硅，太大则达不到改善热接 衬底上，考虑到节省反应气体，设备在气体循环方 触的目的，复合衬底的高度约为300mm,过高则热量 式下工作.为了促进金刚石膜的形核，镜面抛光 不易传递，导致单晶硅（熔点1450℃）温度过高熔化； 的硅衬底先用W10的金刚石研磨膏充分研磨，再用 过低则单晶硅温度太低不利于金刚石薄膜形核和生 酒精超声波清洗后烘干，为了得到高质量的金刚石 长，实验时，先把单晶硅放入圆槽，再把复合衬底放 薄膜，实验中用高纯气体作为反应气源，其中气体纯 在垫有锡的沉积台上·采用高温高密度形核的方法， 度为：氩气，99.999%；氢气，99.995%；甲烷， 先把样品台升高至接近阳极环，数分钟后（注意时间 99.99%.在不同甲烷含量条件下进行金刚石薄膜 不能过长，否则容易导致单晶硅温度过高而熔化，高 的生长，同时保持氢气、氩气的流量分别为8.0× 温形核时间一般在l0min左右)，下降样品台到有利 10-3和2.0X10-3m3min(标准状态)，沉积室的 于金刚石薄膜生长的位置，进入稳定生长阶段 压力和衬底温度分别保持在4kPa左右和950~ 1200℃，衬底表面温度用红外高温计测量 利用上述条件生长的金刚石薄膜分别用激光拉 曼谱(Raman,所用功率为1000mW,激光波长为 488nm,积分时间间隔为0.5s,步长2cm1,扫描范 围1800cm-1)、扫描电子显微镜(LE01450型 SEM)、粗糙度仪(TR240型)等手段表征 图1复合衬底 2结果与讨论 Fig.1 Poly-substrate 表1单晶硅参数 2.1 甲烷浓度对金刚石薄膜形貌的影响 Table 1 Parameters of single crystal silicon 在衬底温度为980℃时，反应气体中不同甲烷 规格 纯度 型号 工艺要求 浓度条件下均生长6h,金刚石薄膜的表面形貌如 50.8mm×5mm99.999%p型单面抛光 图2所示.从图中可以看出，在同一沉积温度下，随 b) 10 um 10μm 10μm D准舞第料0。过m 图2不同甲烷浓度的金刚石薄膜SEM形貌.体积分数：(a)CH1.2%:(b)CH,1.4%;(c)CH:1.6%;()CH1.8% Fig.2 SEM morphologies of diamond films grown in different volume fractions of CH:(a)CH1.2%:(b)CH 1.4%:(c)CHa1.6%:(d)CH 1.8%
示的复合衬底．该复合衬底材料为导热性能极好的 紫铜．实验中的单晶硅（参数见表1）直径为50∙8 mm所以圆槽的直径要比单晶硅的直径略大以保证 能轻易地放入、取出单晶硅太大则达不到改善热接 触的目的．复合衬底的高度约为300mm过高则热量 不易传递导致单晶硅（熔点1450℃）温度过高熔化； 过低则单晶硅温度太低不利于金刚石薄膜形核和生 长．实验时先把单晶硅放入圆槽再把复合衬底放 在垫有锡的沉积台上．采用高温高密度形核的方法 先把样品台升高至接近阳极环数分钟后（注意时间 不能过长否则容易导致单晶硅温度过高而熔化高 温形核时间一般在10min 左右）下降样品台到有利 于金刚石薄膜生长的位置进入稳定生长阶段． 图1 复合衬底 Fig．1 Poly-substrate 图2 不同甲烷浓度的金刚石薄膜 SEM 形貌．体积分数：（a） CH41∙2％；（b） CH41∙4％；（c） CH41∙6％；（d） CH41∙8％ Fig．2 SEM morphologies of diamond films grown in different volume fractions of CH4：（a） CH41∙2％；（b） CH41∙4％；（c） CH41∙6％；（d） CH4 1∙8％ 表1 单晶硅参数 Table1 Parameters of single crystal silicon 规格 纯度 型号 工艺要求 ●50∙8mm×5mm 99∙999％ P 型＜100＞ 单面抛光 用100kW 等离子体喷射设备在硅衬底上沉积 金刚石薄膜．该设备的直流电弧等离子体炬用磁场 控制以得到旋转电弧实现等离子体均匀地喷射到 衬底上．考虑到节省反应气体设备在气体循环方 式下工作［5］．为了促进金刚石膜的形核镜面抛光 的硅衬底先用 W10的金刚石研磨膏充分研磨再用 酒精超声波清洗后烘干．为了得到高质量的金刚石 薄膜实验中用高纯气体作为反应气源其中气体纯 度 为：氩 气99∙999％；氢 气99∙995％；甲 烷 99∙99％．在不同甲烷含量条件下进行金刚石薄膜 的生长同时保持氢气、氩气的流量分别为8∙0× 10—3和2∙0×10—3 m 3·min —1（标准状态）沉积室的 压力和衬底温度分别保持在4kPa 左右和950～ 1200℃衬底表面温度用红外高温计测量． 利用上述条件生长的金刚石薄膜分别用激光拉 曼谱（Raman所用功率为1000mW激光波长为 488nm积分时间间隔为0∙5s步长2cm —1扫描范 围1800cm —1）、扫 描 电 子 显 微 镜 （LEO1450 型 SEM）、粗糙度仪（TR240型）等手段表征． 2 结果与讨论 2∙1 甲烷浓度对金刚石薄膜形貌的影响 在衬底温度为980℃时反应气体中不同甲烷 浓度条件下均生长6h金刚石薄膜的表面形貌如 图2所示．从图中可以看出在同一沉积温度下随 第5期 张玉军等： 声表面波器件金刚石薄膜基片的制备工艺 ·545·
.546 北京科技大学学报 第30卷 着甲烷浓度的增加，金刚石薄膜的晶粒有明显细化 晶的生长速度不同，某些晶向占优生长所造成的 趋势，因此薄膜的表面粗糙度也逐渐减小，这与用 当甲烷浓度较高时，这种晶向占优的晶粒长大越快 粗糙度仪所测得的粗糙度Ra值（如表2所示）是一 表2各样品的表面粗糙度Ra值 致的，其原因是，随着甲烷浓度的升高，形核密度增 Table 2 Surface roughness Ra value of samples 大，晶粒尺寸减小，薄膜晶粒有明显细化趋势].甲 编号 (a) (b) (c) (d) Ra/!'m 0.751 0.598 0.521 0.498 烷浓度的升高，增加了等离子体中活性基团的浓度 从图中还可以看出，金刚石晶粒存在局部的不 2.2衬底温度对金刚石薄膜表面形貌的影响 均匀现象，大晶粒达到10m以上，小晶粒只有几 在反应气甲烷气体体积分数为1.4%、均生长 m;而且随着甲烷浓度的不断升高，不均匀现象越 6h时，衬底温度的变化对金刚石薄膜的表面形貌影 来越严重，这种不均匀可能是在生长后期，各柱状 响如图3所示 10m 90 图3不同衬底温度的金刚石薄膜sEM形貌：(a)950℃：(b)1000℃ Fig-3 SEM morphologies of diamond films grown on silicon substrate with different temperatures:(a)950C:(b)1000C 随着衬底温度的变化，衬底附近各种活性基团 致电弧不均匀而烧毁阳极环，这样也会有一些阳极 的浓度，以及吸附、脱附和迁徙速率会发生变化，从 环的材料掉落到样品上，这种掉落物成为杂质，也导 而影响金刚石薄膜的形貌[一山 致了Raman光谱的位移和宽化 比较图3的SEM照片可知，在相同反应气体条 1331.18 件下，温度高低对金刚石薄膜晶粒大小影响很大， 甲烷体积分数 在一定范围内，衬底温度相对较低的金刚石薄膜晶 -12% 1.4% 粒细小；反之，晶粒较粗大， 1332.47 1.6% 2.3甲烷浓度对金刚石质量的影响 一1.8% 在衬底温度为980℃时，反应气体中不同甲烷 含量条件下均生长6h,金刚石薄膜的激光拉曼谱 1331.75 332.90 图4所示. 在不同甲烷浓度下生长的金刚石薄膜样品激光 拉曼谱曲线中可以得出，甲烷气体体积分数为 1.4%时，所生长的金刚石薄膜质量最高，其拉曼特 100012001400160018002000 波数cm2 征峰的位置为1332.90cm,与1332cm相差无 几，不过，影响拉曼峰位置的因素还有其他方面，比 图4不同甲烷含量的金刚石薄膜激光拉曼谱 如应力状态、杂质含量等，各Raman谱在1500 Fig.4 Raman spectrum of diamond films with different contents of CHa cm左右的峰被认为是石墨的贡献，由于甲烷浓度 较高，沉积物中sp杂化碳的含量较多，这个峰的出 现是可以预见的，且峰位的高低表明了杂化碳含量 3大面积、高质量的金刚石薄膜沉积 的多少，但是考虑到Raman光谱对sp2杂化碳的灵 在前期研究中，鉴于对单晶硅衬底的处理不够 敏度远高于其对sp3杂化碳的灵敏度2]，因此可以 细致，沉积过程中系统不够稳定，沉积结束后系统降 断定薄膜中金刚石的成分仍然是主要的 温过快等原因，出现形核较差、阳极环烧毁等现象， 此外，在沉积过程中，由于阳极环容易积炭，导 导致制得的样品有的部分不生长，有的衬底部分熔
着甲烷浓度的增加金刚石薄膜的晶粒有明显细化 趋势因此薄膜的表面粗糙度也逐渐减小．这与用 粗糙度仪所测得的粗糙度 Ra 值（如表2所示）是一 致的．其原因是随着甲烷浓度的升高形核密度增 大晶粒尺寸减小薄膜晶粒有明显细化趋势［6］．甲 烷浓度的升高增加了等离子体中活性基团的浓度． 从图中还可以看出金刚石晶粒存在局部的不 均匀现象大晶粒达到10μm 以上小晶粒只有几 μm；而且随着甲烷浓度的不断升高不均匀现象越 来越严重．这种不均匀可能是在生长后期各柱状 晶的生长速度不同某些晶向占优生长所造成的． 当甲烷浓度较高时这种晶向占优的晶粒长大越快． 表2 各样品的表面粗糙度 Ra 值 Table2 Surface roughness Ra value of samples 编号 （a） （b） （c） （d） Ra／μm 0∙751 0∙598 0∙521 0∙498 2∙2 衬底温度对金刚石薄膜表面形貌的影响 在反应气甲烷气体体积分数为1∙4％、均生长 6h 时衬底温度的变化对金刚石薄膜的表面形貌影 响如图3所示． 图3 不同衬底温度的金刚石薄膜 SEM 形貌：（a）950℃；（b）1000℃ Fig．3 SEM morphologies of diamond films grown on silicon substrate with different temperatures：（a）950℃；（b）1000℃ 随着衬底温度的变化衬底附近各种活性基团 的浓度以及吸附、脱附和迁徙速率会发生变化从 而影响金刚石薄膜的形貌［7—11］． 比较图3的 SEM 照片可知在相同反应气体条 件下温度高低对金刚石薄膜晶粒大小影响很大． 在一定范围内衬底温度相对较低的金刚石薄膜晶 粒细小；反之晶粒较粗大． 2∙3 甲烷浓度对金刚石质量的影响 在衬底温度为980℃时反应气体中不同甲烷 含量条件下均生长6h金刚石薄膜的激光拉曼谱 图4所示． 在不同甲烷浓度下生长的金刚石薄膜样品激光 拉曼谱曲线中可以得出甲烷气体体积分数为 1∙4％时所生长的金刚石薄膜质量最高其拉曼特 征峰的位置为1332∙90cm —1与1332cm —1相差无 几．不过影响拉曼峰位置的因素还有其他方面比 如应力状态、杂质含量等．各 Raman 谱在 1500 cm —1左右的峰被认为是石墨的贡献由于甲烷浓度 较高沉积物中 sp 2 杂化碳的含量较多这个峰的出 现是可以预见的且峰位的高低表明了杂化碳含量 的多少．但是考虑到 Raman 光谱对 sp 2 杂化碳的灵 敏度远高于其对 sp 3 杂化碳的灵敏度［12］因此可以 断定薄膜中金刚石的成分仍然是主要的． 此外在沉积过程中由于阳极环容易积炭导 致电弧不均匀而烧毁阳极环这样也会有一些阳极 环的材料掉落到样品上这种掉落物成为杂质也导 致了 Raman 光谱的位移和宽化． 图4 不同甲烷含量的金刚石薄膜激光拉曼谱 Fig．4 Raman spectrum of diamond films with different contents of CH4 3 大面积、高质量的金刚石薄膜沉积 在前期研究中鉴于对单晶硅衬底的处理不够 细致沉积过程中系统不够稳定沉积结束后系统降 温过快等原因出现形核较差、阳极环烧毁等现象 导致制得的样品有的部分不生长有的衬底部分熔 ·546· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第5期 张玉军等：声表面波器件金刚石薄膜基片的制备工艺 .547 化，有的样品炸裂 [3]Zhang JZ.Processing Techniques of Polished Single-Crystal Sil- 实验在对衬底表面状态、金刚石膜形核密度、生 icon Wafers.Beijing:Chemical Industry Press,2005:94 (张厥宗，硅单晶抛光片的加工技术，北京：化学工业出版社， 长过程的稳定性（温度稳定性和过程稳定性）以及沉 2005:94) 积结束后系统缓慢降温等所有环节进行严格系统控 [4]Chang K P.Cheng W J.Jiang JC.et al.Selective deposition of 制后在单晶硅衬底上生长出了大面积、高质量的金 diamond films on Si(100)substrate.J Synth Cryst,2003,32 刚石薄膜13]，如图5所示 (6):610 薄膜的直径为50.8mm,单晶硅衬底的厚度为 (常开朋，程文娟，江锦春，等.金刚石膜在Si(100)衬底上的选 择沉积.人工晶体学报，2003,32(6)：610) 5mm,金刚石薄膜的厚度约为25m: [5]Lu F X.Tang WZ.Zhong G F.Economical deposition of a large area of high quality diamond film by a high power DC are plasma jet operating in a gas recycling mode.Diamond Relat Mater. 2000(9):1655 [6]Wang Q.Institution of Synthesis Techniques,Texture and Ad- hesion of CVD Diamond Coatings on Cemented Carbide Tools [Dissertation].Beijing:University and Science Technology Bei- jing,2001,52 (王强.硬质合金工具CVD金刚石涂层的制备技术、涂层组织 及结合力研究[学位论文]，北京：北京科技大学，2001：52) [7]Li X.Chen D Z.Zhang Y.An improvement on the quality of 图5硅衬底上大面积、高质量的金刚石薄膜 CVD diamond films on WCCo(YG6)substrate.Geoscience Fig.5 Large"area high-quality diamond films on silicon substrate 1998,12(2):289 (李询，陈代璋，张岩，提高WC℃。合金基底沉积金刚石膜质 4结论 量的研究.现代地质，1998,12(2)：289) (1)在相同的衬底温度下，甲烷浓度对金刚石薄 [8]Huang YS.Qiu W Q.Liu Z Y.Studies of nucleation of diamond 膜的晶粒尺寸起着决定性的作用，在本实验中甲烷 films grown by chemical vapor deposition.Vac Sci Technol. 2001,21(6):492 气体体积分数为1.8%时，晶粒最为细小，同时金刚 (黄元盛，邱万奇，刘正义·CVD金刚石形核的研究，真空科学 石薄膜的表面粗糙度最小，表面最为光滑 与技术，2001,21(6)：492) (2)在其他条件等同的情况下，衬底温度对金刚 [9]Huang Y S.Liu Z Y.Qiu W Q.Study on second nucleation 石薄膜的晶粒尺寸也有很大影响，在一定范围内， mechanism of CVD diamond films.Mater Sci Eng.2001,21 温度相对较低的衬底所生长的金刚石薄膜的晶粒尺 (1):50 (黄元盛，刘正义，邱万奇.CVD金刚石薄膜二次形核机制的 寸较小 研究.材料科学与工程，2001,21(1)：50) (③)在单品硅衬底上生长大面积、高质量的金刚 [10]Kim W K.Whang K W.Deposition of diamond film by a mag 石薄膜必须对衬底表面状态、金刚石膜形核密度、生 netized DC plasma jet.Mater Manuf Process.1993.8(1):83 长过程的稳定性（温度稳定性和过程稳定性）以及沉 [11]Zhong G F.Shen FZ.Tang WZ.et al.Effects of surface tem- 积结束后系统缓慢降温等所有环节进行严格系统控 perature on diamond films prepared by DC are plasma jet CVD 制才能实现 method.JUniv Sci Technol Beijing.1999.21(4):353 (钟国仿，申发振，唐伟忠，等·基片温度对直流电弧等离子体 参考文献 喷射沉积金刚石膜的影响.北京科技大学学报，1999,21(4)： 353) [1]Zhu W.Stoner B R.Williams B E.et al.Growth and characteri- [12]Wada N.Solin S A.Raman efficiency measurements of zation of diamond films on non-diamond substrates for electronic graphite.Phys B.1981.105:353 applications//Proceedings of the 30th IEEE Conference on Deci- [13]HuangT B.Liu J M.Zhong G F.et al.Preparation of large are sion and Control.Brighton,1991:621 free standing thick diamond wafers.J Univ Sci Technol Bei- [2]Chen JJ.Li D M.Pan F.Latest progress of surface acoustic de- jing,2000,22(3):234 vices made of diamond film.Vac Sci Technol,2003,23(6):417 (黄天斌，刘敬明，钟国仿，等，大面积无衬底自支撑金刚石厚 (陈菁菁，李冬梅，潘峰.金刚石声表面波器件的研究与进展· 膜沉积，北京科技大学学报，2000,22(3)：234) 真空科学与技术，2003,23(6)：417)
化有的样品炸裂． 实验在对衬底表面状态、金刚石膜形核密度、生 长过程的稳定性（温度稳定性和过程稳定性）以及沉 积结束后系统缓慢降温等所有环节进行严格系统控 制后在单晶硅衬底上生长出了大面积、高质量的金 刚石薄膜［13］如图5所示． 薄膜的直径为50∙8mm单晶硅衬底的厚度为 5mm金刚石薄膜的厚度约为25μm． 图5 硅衬底上大面积、高质量的金刚石薄膜 Fig．5 Large-area high-quality diamond films on silicon substrate 4 结论 （1）在相同的衬底温度下甲烷浓度对金刚石薄 膜的晶粒尺寸起着决定性的作用．在本实验中甲烷 气体体积分数为1∙8％时晶粒最为细小同时金刚 石薄膜的表面粗糙度最小表面最为光滑． （2）在其他条件等同的情况下衬底温度对金刚 石薄膜的晶粒尺寸也有很大影响．在一定范围内 温度相对较低的衬底所生长的金刚石薄膜的晶粒尺 寸较小． （3）在单晶硅衬底上生长大面积、高质量的金刚 石薄膜必须对衬底表面状态、金刚石膜形核密度、生 长过程的稳定性（温度稳定性和过程稳定性）以及沉 积结束后系统缓慢降温等所有环节进行严格系统控 制才能实现． 参 考 文 献 ［1］ Zhu WStoner B RWilliams B Eet al．Growth and characterization of diamond films on non-diamond substrates for electronic applications∥ Proceedings of the30th IEEE Conference on Decision and Control．Brighton1991：621 ［2］ Chen J JLi D MPan F．Latest progress of surface acoustic devices made of diamond film．V ac Sci Technol200323（6）：417 （陈菁菁李冬梅潘峰．金刚石声表面波器件的研究与进展． 真空科学与技术200323（6）：417） ［3］ Zhang J Z．Processing Techniques of Polished Single-Crystal Silicon Wafers．Beijing：Chemical Industry Press2005：94 （张厥宗．硅单晶抛光片的加工技术．北京：化学工业出版社 2005：94） ［4］ Chang K PCheng W JJiang J Cet al．Selective deposition of diamond films on Si（100） substrate．J Synth Cryst200332 （6）：610 （常开朋程文娟江锦春等．金刚石膜在 Si（100）衬底上的选 择沉积．人工晶体学报200332（6）：610） ［5］ Lu F XTang W ZZhong G F．Economical deposition of a large area of high quality diamond film by a high power DC arc plasma jet operating in a gas recycling mode． Diamond Relat Mater 2000（9）：1655 ［6］ Wang Q．Institution of Synthesis TechniquesTexture and A dhesion of CV D Diamond Coatings on Cemented Carbide Tools ［Dissertation ］．Beijing：University and Science Technology Beijing2001：52 （王强．硬质合金工具 CVD 金刚石涂层的制备技术、涂层组织 及结合力研究［学位论文］．北京：北京科技大学2001：52） ［7］ Li XChen D ZZhang Y．An improvement on the quality of CVD diamond films on WC-Co （YG6） substrate． Geoscience 199812（2）：289 （李询陈代璋张岩．提高 WC—Co 合金基底沉积金刚石膜质 量的研究．现代地质199812（2）：289） ［8］ Huang Y SQiu W QLiu Z Y．Studies of nucleation of diamond films grown by chemical vapor deposition． V ac Sci Technol 200121（6）：492 （黄元盛邱万奇刘正义．CVD 金刚石形核的研究．真空科学 与技术200121（6）：492） ［9］ Huang Y SLiu Z YQiu W Q．Study on second nucleation mechanism of CVD diamond films． Mater Sci Eng200121 （1）：50 （黄元盛刘正义邱万奇．CVD 金刚石薄膜二次形核机制的 研究．材料科学与工程200121（1）：50） ［10］ Kim W KWhang K W．Deposition of diamond film by a magnetized DC plasma jet．Mater Manuf Process19938（1）：83 ［11］ Zhong G FShen F ZTang W Zet al．Effects of surface temperature on diamond films prepared by DC arc plasma jet CVD method．J Univ Sci Technol Beijing199921（4）：353 （钟国仿申发振唐伟忠等．基片温度对直流电弧等离子体 喷射沉积金刚石膜的影响．北京科技大学学报199921（4）： 353） ［12］ Wada N Solin S A． Raman efficiency measurements of graphite．Phys B1981105：353 ［13］ Huang T BLiu J MZhong G Fet al．Preparation of large are free standing thick diamond wafers．J Univ Sci Technol Beijing200022（3）：234 （黄天斌刘敬明钟国仿等．大面积无衬底自支撑金刚石厚 膜沉积．北京科技大学学报200022（3）：234） 第5期 张玉军等： 声表面波器件金刚石薄膜基片的制备工艺 ·547·