CVD金刚石薄膜的织构分析.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.03.019 第22卷第3期北京科技大学学报 Vol.22 No.3 2000年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2000 CVD金刚石薄膜的织构分析毛卫民》陈楠2 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)石油大学判北京)材料科学与工程系，北京102200 摘要采用极图和取向分布函数法分析CVD金刚石薄膜的不同织构，分析表明，高的多重性因子使得{110}面织构有更高的出现概率.具体分析了221}面织构出现的孪生机制，强调了织构与性能关系研究的重要性，并推荐使用先进织构分析手段. 关键词金刚石薄膜；面织构；化学气相沉积；织构生成分类号TB303 化学气相沉积(CVD)金薄膜工艺的出异性的利用及其性能进一步的提高，本文利用现，使得以较低价格制造较入尺寸金刚石成为现代织构检测技术分析了CVD金刚石薄膜织可能，从而为金刚石材料的发'提供了重要的构，并探讨了相关织构的形成原理. 技术基础.CVD金刚石薄膜彤一种多晶材料，晶粒取向分布可以是随机的旷，也可以有{100}， 1实验与结果分析 {110}或{111}面织构2-7，但{110}面织构是最常采用本校的CVD金刚石薄膜制备设备制见的一种面织构2.织构的存在使得薄膜存在备出金刚石膜.用D5000型X射线衍射仪(Co 各向异性，因而为进一步提高薄膜性能提供了靶)测量其{111}，{220}和{113}3张不完整极图，可能.例如Geis认为刊，具有{111}面织构的金刚并用Bunge法计算取向分布函数.图1和图2 石薄膜有与单晶金刚石相近的电学性质，因而给出了2种沉积工艺条件下实测的{220}极图可以大大提高其使用性能.但是在CVD金刚石和所计算的取向分布函数的P2=459截面图.由薄膜领域目前大多只采用非常简单方法检测与图1可以看出两试样中均有{220}面平行于膜分析织构，对织构的认识还很不深入，对CVD 面的织构，试样2中的织构较为锋锐.图2(a)给金刚石薄膜织构生成原理的许多细节尚不清出了各种面织构在取向分布函数2=459截面楚.虽然人们已经认识到了织构存在的普遍性，图上的位置，由此可以观察到更多的织构细节，但至今没有关于织构与性能关系的系统性研究除了{220}面织构外，试样1中有{221}面织构，工作报导.这些都妨碍了CVD金刚石薄膜各向而试样2中有{111}面织构（图2）. (a) b) 图1多晶金刚石薄膜的(220)极图（密度水平：1,2,4,8,16）；(a)试样1(max:10.8),(b)试样2(max:20.8) Fig.1 (220)pole figure of polyerystalline diamond thin films 20000410收稍毛卫民男，49岁，教投 *国家“863”工程重点资助课题0No.863-715-Z3803)

第卷第期侧年 ‘ 月北京科技大学学报几钾花艳哪万砚幼金刚石薄膜的织构分析毛卫民 ” 陈楠 ’为北京科技大学材料科学与工程学院，北京以石油大学北京材料科学与工程系，北京摘要采用极图和取向分布函数法分析金刚石薄膜的不同织构分析表明，高的多重性因子使得面织构有更高的出现概率具体分析了毛面织构出现的孪生机制，强调了织构与性能关系研究的重要性，并推荐使用先进织构分析手段关键词金刚石薄膜面织构化学气相沉积织构生成分类号化学气相沉积金刚礴膜工艺的出现，使得以较低价格制造较人尺寸金刚石成为可能，从而为金刚石材料的发戈提供了重要的技术基础金刚石薄膜厂一种多晶材料，晶粒取向分布可以是随机的哎也可以有，或面织构〔卜刀，但面织构是最常见的一种面织构【朋织构的存在使得薄膜存在各向异性，因而为进一步提高薄膜性能提供了可能例如认为汇，具有面织构的金刚石薄膜有与单晶金刚石相近的电学性质，因而可以大大提高其使用性能但是在金刚石薄膜领域目前大多只采用非常简单方法检测与分析织构，对织构的认识还很不深入，对金刚石薄膜织构生成原理的许多细节尚不清楚虽然人们已经认识到了织构存在的普遍性，但至今没有关于织构与性能关系的系统性研究工作报导这些都妨碍了金刚石薄膜各向异性的利用及其性能进一步的提高本文利用现代织构检测技术分析了金刚石薄膜织构，并探讨了相关织构的形成原理实验与结果分析采用本校的金刚石薄膜制备设备制备出金刚石膜用型射线衍射仪。靶地组量其，和笼张不完整极图，并用法计算取向分布函数【司图和图给出了种沉积工艺条件下实测的极图和所计算的取向分布函数的势二截面图由图可以看出两试样中均有面平行于膜面的织构，试样中的织构较为锋锐图给出了各种面织构在取向分布函数价二。截面图上的位置，由此可以观察到更多的织构细节除了面织构外，试样中有夏面织构，而试样中有面织构图图多晶金刚石薄膜的极图密度水平，，，，试样，试样咭 · 仃五】以力戒阿收稿毛卫民男，岁，教授国家 “ ” 工程重点资助课题困。名一一 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．03．019

·260· 北京科技大学学报 2000年第3期 (a) {100} b {112) {111) {221} {110) 图2多晶金刚石薄膜的取向分布(，=45°截面，密度水平：2,4,6) (a)面织构位置，(b)试样1中的织构(ma:31),(c)试样2中的织构(max:6.) Fig.2 Orientation distribution of polycrystalline diamond thin films 2讨论生长的更高概率，而方向次之.这应是 {110}面织构更经常地被观察到的原因之一，金 Choi等人认为，金刚石各晶面的表面能不刚石结构晶体的层错能比较低”，少量的杂质相同.其中{111}，{110)和{100)面的表面能分别元素会使层错能进一步降低，所以在沉积过程为5.65×10-，6.92×10，和9.82×10-4J/cm2,{111}面中容易产生沉积孪晶.例如在薄膜沉积出(100} 的能量最低.因此，一般认为在金刚石薄膜的沉面织构的条件下，工艺条件或杂质的扰动会使积过程中方向生长较快，使薄膜的微观表 {100}面平行于沉积面的生长沿111)面发生偏面均由{111}面构成9.金刚石薄膜沉积通常以转而转向孪晶生长.图4给出了这种转化的晶由{111}面构成的八面体生长的方式完成（图3）. 体学关系.平行于表面的{100}面发生的所有孪由于八面体的对称性，当金刚石晶体的{100}，晶均会造成晶体的221}面平行于沉积表面（图 {110)或{111}晶面平行于沉积表面时，该晶体 4),进而造成了{221}面织构.孪晶生长不仅会能够沿垂直于沉积表面的方向快速而稳定地生造成{221}面织构（图2b),而且也会进一步阻长.任何其他取向晶体的快速生长方向都会偏碍{100}面织构的出现（图2）. 离垂直于沉积表面的方向，并且受限于邻接晶 0 粒而终止成长.因此可观察到金刚石薄膜的 00 ǒo0o0 (1i0 {100},{110}或{111}面织构2-n. 4[001] ●o888g0 8g3 1111 ●。a9g0,0 [001] PaSEDete [221] =[010] aio0.3” [1101 > [100] 图4{221}面织构的形成（黑点为初始生长晶体，白圈为孪晶生长晶体) Fig.4 Formation of (221)fiber texture (black symbol:in- 图3金刚石八面体的示意图 itial crystal,open symbol:twinning crystal) Fig.3 Diamond octahedron 上述分析表明，借助极图和取向分布函数参照图3可以发现，金刚石八面体上有3 可以很好地分析金刚石薄膜中织构的类型和相个生长方向，而和方向则分别关的转化原理.可借这种方法目前在金刚石领有4个和6个，与这些晶向的多重性一致.若金域中尚未得到重视.例如Choi等人研究{1l0}织刚石八面体上所有方向的生长有相同的概率，构随衬底温度升高而变强的规律时仅采用的单则不仅非，和方向的生长会因点衍射的分析方法.图5示意性地给出其检测上述的选择生长而消失，而且也造成方向结果.多晶体的取向分布是一个三维问题.取向

北京科技大学学报年第期厦毛，哪匕每一， “ 二、，，试乃 ‘ 二尸产，、卜护叫、、 ‘ 一、、一沪一碑一一 … … 讨论图多晶金刚石薄膜的取向分布印截面，密度水平，，面织构位，试样中的织构，试样中的织构啥 · 川生长的更高概率，而方向次之这应是麦面织构更经常地被观察到的原因之一金刚石结构晶体的层错能比较低 ‘，，少量的杂质元素会使层错能进一步降低，所以在沉积过程中容易产生沉积孪晶例如在薄膜沉积出面织构的条件下，工艺条件或杂质的扰动会使面平行于沉积面的生长沿面发生偏转而转向孪晶生长图给出了这种转化的晶体学关系平行于表面的毛面发生的所有孪晶均会造成晶体的面平行于沉积表面图，进而造成了面织构孪晶生长不仅会造成面织构图伪，而且也会进一步阻碍笼面织构的出现图一〔形式，，。尸等人认为〔，金刚石各晶面的表面能不相同其中，和面的表面能分别为一，，一，和一，面的能量最低因此，一般认为在金刚石薄膜的沉积过程中方向生长较快，使薄膜的微观表面均由夏面构成【金刚石薄膜沉积通常以由面构成的八面体生长的方式完成图由于八面体的对称性，当金刚石晶体的，或晶面平行于沉积表面时，该晶体能够沿垂直于沉积表面的方向快速而稳定地生长【习任何其他取向晶体的快速生长方向都会偏离垂直于沉积表面的方向，并且受限于邻接晶粒而终止成长因此可观察到金刚石薄膜的夏，或面织构〔司本、一厂一丁口峨于图金刚石八面体的示意图啥参照图可以发现，金刚石八面体上有个生长方向，而和方向则分别有个和个，与这些晶向的多重性一致若金刚石八面体上所有方向的生长有相同的概率，则不仅非，卜和方向的生长会因上述的选择生长而消失，而且也造成方向声乓卜图面织构的形成黑点为初始生长晶体，白圈为孪晶生长晶体电 · · ，，泊即加口上述分析表明，借助极图和取向分布函数可以很好地分析金刚石薄膜中织构的类型和相关的转化原理可惜这种方法目前在金刚石领域中尚未得到重视例如等人研究织构随衬底温度升高而变强的规律时仅采用的单点衍射的分析方法图示意性地给出其检测结果多晶体的取向分布是一个三维问题取向

VoL22 No.3 毛卫民等：CVD金刚石薄膜的织构分析 ·261· 分布函数利用三维空间来描述织构，极图也是参考文献利用二维空间分析织构.而单点衍射的空间是 1 Sussmann R S.A New Diamond Material for Optics and 零维，因而在可靠性和科学性上均有不足之处 Electronics.Industrial Diamond Review,1992,53(2):63 ,也不便作更深入、精确的分析，因此应注重 2 Narayan J,SrivatsaAR,Peters M,et al.On Epitaxial Gro- 利用现代织构分析方法来研究金刚石薄膜的织 wth of Diamond Films on(100)Silicon Substrates.Appl 构问题. Phy Lett1988,53:1823 3 KobashiK,Nishimura K,Kawate Y,et al.Synthesis of Dia- 111} mond by Use of Microwave Plasma Chemical-vapor De- {220} position:Morphology and Growth of Diamond Film,Phys 650° {113} Rew,B38:4067 4 Geis M W.Growth of Textured Diamond Films on Foreign Substrates from Attached Seed Crystals.Appl Phys Lett, 750° 1989,55:550 5 Wild Ch,Herres N,Koidi P.Texture Formation in Pol- 900° ycrystalline Diamond Films,J Appl Phys,1990,68:973 6 Bachmann P K,Bausen H D,Lade H,et al.Raman and X- 6) ray Studies of Polycrystalline CVD Diamond Films.Dia- 图5村底温度对金刚石薄膜衍射强度的影响 mond and Related Materials,1994,3:1308 Fig.5 Influence of substrate temperature on the diffraction 7 Fayette L,Mermoux M,Marcus B,et al.Analysis of the density of diamond thin films Fine Structure of the Raman Line and of X-ray Reflection Profiles for Textured CVD Diamond Films.Diamond and Floter等人的研究发现四，晶界对电子移动 Related Materials,1995,4:1243 和光线传导均具有阻碍作用，且这种作用和晶 8 Bunge H J.General Outline and Series Expansion Method. 界的取向差有一定关系.但是总体来讲，金刚石 In:Bunge H J and Esling C eds.Quantitative Texture Analy- 薄膜织构与性能关系尚没有系统深入的研究， sis.Oberursel:DGM-Informationsgesellschaft,1981.1 相关的工作有待开展. 9 Choi S J,Shin Y S,In:Txeng Y,et al eds.The Orientation of Diamond Crystal Face Synthesized by the Combustion 3总结 Flame Method,Applications of Diamond Films and Re- lated Materials.New York:Elserier SciencePublishers, CVD金刚石薄膜中会有不同类型的织构. 1991.527 织构的形成与制备工艺条件密切相关.借助极 10毛卫民，张新明.晶体材料织构定量分析北京：治金图和取向分布函数的方法可以深入探讨织构的工业出版社，1995.1 11 Floter A,Gatter H,Schulz G,et al.The Nucleation and Gro- 形成过程和相关原理.分析表明，{110}面织构 wth of Large Area Highly Oriented Diamond Films on Sili- 应有更高的出现概率，{100}平行于表面晶粒在 con Substrates.Diamond and Related Materials,1998,7: 生长过程中出现的李晶造成了{221}面织构.织 283 构与性能关系的研究尚待深入开展， Texture Analysis of CVD Diamond Thin Films LA0 Weimin”, CHEN Nan'2 1)Materials Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Department of Materials Science and Engineering,University of Petroleum,Beijing 102200,China ABSTRACT Different textures of CVD diamond thin films are analyzed using the methods of pole figure and orientation distribution function.It is shown that the higher multiplicity leads to the higher appearance possibility of {110)fiber texture.The formation mechanism of (221)fiber texture by means of twinning effect is discussed.The importance of the systematic investigation on the relationship between textures and properties is emphasized,and the advanced methods for texture analysis are recommended. KEY WORDS diamond thin film;fiber texture;CVD;texture formation