D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.03.012 第22卷第3期 北京科技大学学报 Vol.22N0.3 2000年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2000 大面积无衬底自支撑金刚石厚膜沉积 黄天斌刘敬明钟国仿唐伟忠 佟玉梅吕反修 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要讨论了在采用直流电弧等离子体喷射CVD工艺沉积大面积无衬底自支撑金刚石厚 膜时遇到的若干技术问题.在制备过程中经常出现的膜炸裂现象，主要是由于膜和衬底材料线 澎张系数差异引起的巨大热应力，而衬底表面状态的控制、沉积过程中工艺参数的优化和控制 也是一个重要的因素.因此，必须对整个金刚石厚膜沉积过程进行严格而系统的控制，才能有 效地保证获得无裂纹大面积金刚石自支撑厚膜. 关键词自支撑金刚石厚膜；大面积：直流电弧等离子体喷射CVD 分类号TB43 大面积无裂纹自支撑金刚石厚膜的制备是 刚石喇曼特征峰的位移可估算金刚石膜中存在 该厚膜在许多工业和技术中应用的关键.然而， 的内应力. 获得这样的自支撑厚膜却并不是一件容易的事 情.在许多实验室都曾发生大面积金刚石厚膜 2实验结果与讨论 在沉积结束后（甚至在沉积过程中）突然炸裂的 2.1金刚石膜内应力 现象，往往浪费了人们的许多时间和资金.因 内应力是造成CVD金刚石自支撑膜开裂 此，大面积无裂纹自支撑金刚石厚膜的制备引 的最主要的原因.薄膜的内应力可分为热应力 起了广泛的关注.然而，出于商业上的原因，这 和本征应力，前者由于薄膜和衬底材料线膨胀 方面的论文并不多见习.本文基于作者在长期 系数不匹配而引起，而后者则是因为薄膜在生 实验室研究中的观察结果，对高功率DC Arc 长过程中产生的缺陷所致，也叫做生长应力，金 Plasma Jet CVD工艺制备大面积无裂纹自支撑 刚石的线膨胀系数很低，约为1.0×10/℃，而绝 金刚石厚膜进行了讨论，并提出了解决的方法， 大多数固体材料的线膨胀系数都远大于此值， 成功地沉积了60~中100mm厚达2mm的无裂 因此金刚石膜沉积后一般都存在非常大的热应 纹大面积高质量金刚石自支撑膜， 力.对于本文所用衬底材料Mo,金刚石膜的热 1试验方法 应力为： (G-aT (1) 采用我国独立开发的100kW级高功率DC 式中，为热应力，E和u分别为金刚石薄膜的 Arc Plasma Jet CVD金刚石膜沉积系统进行大 弹性模量和泊松比，T和T分别是沉积金刚石薄 面积自支撑金刚石膜沉积研究.关于该系统的 膜时基片的热力学温度以及测量应力时的热力学 特点及技术指标可见文献[3~5].本文采用的工 温度（一般为室温），a:和a分别为金刚石薄膜和 艺参数：沉积压力为3-30kPa:沉积温度为 基片材料的线膨胀系数.采用金刚石和Mo的线 800-1100℃；衬底材料为Mo;气体组成为H2 膨胀系数数据可计算出金刚石膜热应力为： 5-20L/min,Ar3-~15Lmin,CH,H21%-10%(体积 =-0.244-3.327×10-3T+3.799×-7T(GPa)(2) 分数)：沉积时间为0.560h. 据此可知在金刚石薄膜的正常沉积温度范 用扫描电镜观察金刚石膜表面形貌：用激 围800~1100℃内，由基片与金刚石薄膜线膨胀 光喇曼散射谱评价金刚石膜晶体质量.依据金 系数的差异引起的热应力可达-2.7~-3.4GPa (负号表示压应力).这样高的应力甚至可超过 1999-12-30收稿黄天斌男，28岁，博士生 单晶金刚石的力学强度(~3GPa),比目前报道 *国家863计划资助项目QNo.715-002-Z030)第 卷 第 期 州 】 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 路 ’ 一 大面积无衬底 自支撑金刚石厚膜沉积 黄天斌 刘敬明 钟 国仿 唐伟忠 体玉梅 吕反修 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 摘 要 讨论 了在采用 直流 电弧等 离子 体喷射 工 艺沉积大面积无衬底 自支撑金 刚石 厚 膜 时遇 到 的若干 技术 问题 在制备 过程 中经 常 出现 的膜炸裂现象 ， 主 要 是 由于膜和 衬 底材料 线 膨胀 系数差 异 引起 的 巨大热 应 力 ， 而 衬底表 面状态 的控制 、 沉积 过程 中工 艺参数 的优化和 控 制 也 是一 个重要 的因素 因此 ， 必 须对 整 个金 刚石 厚膜沉积过程进行严格而 系统 的控 制 ， 才能有 效地保证获 得无裂 纹 大 面积 金 刚石 自支撑 厚膜 关键词 自支撑金 刚 石 厚膜 大面 积 直流 电弧 等离子 体喷射 分 类号 大面积 无裂纹 自支撑 金 刚石 厚膜 的制备 是 该厚膜在许 多工 业和 技 术 中应 用 的关键 然而 ， 获得这样 的 自支撑厚膜 却 并不 是 一 件容易 的事 情 在许 多实验 室 都 曾发 生 大面积 金 刚 石 厚 膜 在沉积 结束后 甚至 在 沉 积过 程 中 突然 炸裂 的 现象 ， 往往 浪 费 了人们 的许 多 时 间和 资 金 因 此 ， 大面积无裂 纹 自支撑金 刚石 厚膜 的制备 引 起 了广 泛 的关 注 然 而 ， 出 于 商 业 上 的 原 因 ， 这 方面 的论文并不 多见‘， ， ” 本文 基 于 作者在长 期 实验室研 究 中的观 察 结果 ， 对 高功 率 户 工 艺 制 备 大面 积无 裂 纹 自支 撑 金 刚石 厚膜进行 了讨论 ， 并提 出 了解 决的方法 ， 成功地沉积 了中 神 厚 达 的无 裂 纹大面积 高质量 金 刚石 自支 撑膜 刚石 喇曼特征峰的位移可 估算金 刚石 膜 中存在 的 内应 力 试验方法 采用我 国独立 开 发的 级 高功率 金 刚石 膜沉积 系统进 行大 面 积 自支撑金 刚石 膜沉积研 究 关 于 该系统 的 特 点及 技术指标可 见文 献 一 本文采用 的工 艺 参 数 沉 积 压 力 为 一 沉 积 温 度 为 于 ℃ 衬底材料为 气 体组 成为 瓦 一 ， 一 ， 扩 一 体积 分数 沉 积 时 间为 一 用 扫描 电镜观 察金 刚石 膜表 面 形 貌 用激 光 喇曼 散射谱评 价金 刚石 膜 晶体质 量 依据金 实验结果与讨论 金刚石膜 内应 力 内应 力是 造成 金 刚石 自支撑 膜 开 裂 的最主 要 的原 因 薄膜 的 内应 力可 分为热应 力 和 本征 应 力 ， 前 者 由于 薄膜和 衬 底 材 料 线膨胀 系数不 匹配 而 引起 ， 而 后 者则是 因 为薄膜在生 长 过程 中产 生 的缺 陷所致 ， 也 叫做 生 长应力 金 刚 石 的线膨胀 系数很 低 ， 约 为 一 ℃ ， 而 绝 大 多数 固体 材 料 的线 膨 胀 系 数 都 远 大 于 此 值 ， 因此金 刚石 膜沉积 后 一 般 都存在 非 常大 的热 应 力 对 于 本文 所用衬底材料 。 ， 金 刚石膜 的热 应 力为 、 一 母买‘一 。 ，‘ “ ， 一 收稿 黄天 斌 男 ， 岁 ， 博 士 生 国家 计划 资助 项 目 一 一 式中 ， 几 为热应力 ， 和户分别为金刚石薄膜 的 弹性模量和泊松比 ， 和 分别是沉积金刚石薄 膜时基片的热力学温度 以及测量应力时的热力学 温度 一般为室温 ， 和 分别为金刚石薄膜和 基片材料的线膨胀系数 采用金刚石和 的线 膨胀系数数据可计算出金刚石膜热应力为 几 一 · 一 一 ， 一 ，产 据此可 知在金刚石 薄膜的正 常沉积温度 范 围 一 ℃ 内 ， 由基 片与金 刚石 薄膜线膨胀 系 数 的差 异 引起 的热 应 力可 达 一 一 负号表示 压 应力 这 样高的应力甚至 可 超过 单 晶金 刚 石 的力学 强 度 一 ， 比 目前 报道 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．03．012