·146◆ 北京科技大学学报 2002年第2期 气相沉积不同阶段的原子结构图，如图2所示. 长速率计算方法如下：用给定时间间隔内沉积 它是由本文提出的以CH为主要生长组元的生 的原子数与(100)面的平均面间距的积除以一 长机制模拟得到的.整个生长是在50×50的金 个完全填满的(100)层的碳原子数，再除以时间 刚石点阵上进行的，操作参数为[CH)= 间隔所得的商即为膜表面的生长速率. 0.02%,p(田)=0.1%.从图中可以看出，在沉积 为了便于比较，本文所采用的工艺参数与 的初期，在平滑的原子尺度衬底上形成一些彼 Harris的相同，即P=2.7kPa,p(CH])=0.0053 此孤立的(100)层小岛（如图2(a)所示）.随着沉 %,p(H)=0.35%,T=1200K.图3为不同生长 积过程的继续，膜的生长进入另一阶段，主要表 机制下膜表面沉积速率的变化.由图可见，在各 现为小岛向着膜生长方向的生长和向着侧面进 种沉积机制下，在沉积的初期，膜沉积的速率随 行横向生长，这种生长导致了不同小岛之间的 时间的增长比较快，这主要是由(100)所具有的 合并，结果使未填满的(100)层得到扩展、填充 表面结构特点决定的，即完成(100)膜的沉积仅 (如图2b),(c)所示).在较长的生长时间，原子结 需一个单碳组元的沉积，很容易实现.沉积达到 构达到动态平衡状态，在此阶段，未填满的(100) 一定时间以后，速度逐渐下降，最后趋于稳定. 层继续被吸附的碳原子填充，最终形成完整的、 这主要是因为一方面由于表面上台阶的形成使 新的(100)层（如图2(d)所示），金刚石(100)膜就 碳原子在不同高度的台阶上沉积，这样膜形成 是在这样的条件下不断地生长的 的速度就不如在平的(100)衬底上快；另一方面， 由于沉积一定时间以后，表面上各组元之间达 到平衡状态，使膜的沉积速率达到稳定状态.从 (沉积的早期阶段在原子平面上形成的孤立小岛 最终的沉积速率来看，以本文提出的模型得到 的沉积速率最快，大约为4μm/h;F-B模型下的 (b)沉积中间阶段岛的生长和合并 沉积速率为2.5umh;在Harris的dense情况下， 沉积速率为l.8μm/h,而在dilute的情况下沉积 速率大约为0.3μm/h.该结果与Harris预测的近 (©)沉积巾间阶段岛的生长和合并 似一致o 量一本研究 (较长沉积时间（达到平衡状态）的膜的表面形貌 oBattaile 图2CVD金刚石(100)面不同生长阶段的表面原子结构 一稀薄(Harris) 6 -稠密(Harris) Fig.2 Atomic structure of(100)plane of CVD diamond at dif- m ferent growth stages 3.2不同生长机制下膜质量的对比 CVD金刚石膜的质量一般受多种因素的影 响，其中点缺陷的浓度和表面粗糙度起着直接 的作用，而膜的生长速率也间接影响膜的质量， 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 在Harris的模型中没有考虑点缺陷的存在，而 t/s 在F-B和本文的机制中则考虑了膜中空位浓度 图3不同生长机制对应的膜沉积速率随时间的变化 的影响.在通常情况下，采用均方根粗糙度来衡 Fig.3 Variations of film deposition rate with time in differ- 量膜的质量，其定义如下： ent mechanisms R=(Σ(z-C)/W) (4) 图4为不同生长机制下膜表面粗糙度的变 化曲线.由图中可以看出在每种模型下，开始时 其中，z为表面原子i的z坐标，N为表面原子总 膜的表面粗糙度均随着沉积时间的增加而增 数，C定义为： C=总zN 大，一定时间以后，表面粗糙度的数值趋于稳 (5) 定，这同样可以用生长过程中的化学反应达到 由于金刚石膜表面生长速率的不同会影响 平衡来解释.一般情况下，人们认为沉积速率越 膜沉积的质量，所以本文对膜沉积过程中的生 大则表面粗糙度越大，膜的质量越差，图中Bat-