D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.05.019 第22卷第5期 北京科技大学学报 Vol.22 No.5 2000年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct2000 大面积金刚石膜的均匀沉积 黄天斌 刘敬明 唐伟忠 钟国仿 蒋 政 吕反修 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究了大面积金刚石膜沉积过程中的均匀性问题和金刚石膜质量的均匀性问题，研究 表明：用于生长金刚石膜的大面积磁旋转等离子体电弧是均匀的，能使气体混合均匀：金刚石 膜在形核阶段是均匀的：金刚石膜在生长阶段是均匀的，有利于提高成膜几率：沉积后的金刚 石膜的质量是均匀的，大面积磁控长通道等离子矩能生长均匀的金刚石膜，可用于金刚石膜的 研究和工业生产 关键词大面积：金刚石膜：均匀性 分类号TB43文献标识码：A 目前世界上还只有少数研究单位，如美国 地转变为SP键.在金刚石膜生长过程中，基片 的Norton公司m、Raython公司四、GE公司)，英国 温度和腔压也影响金刚石膜的质量，合理地调 的Diamanx公司等有能力制备高质量的金刚 节碳氢配比、基片温度和腔压就可以生长出高 石膜，直流电弧等离子体法是生长高质量金刚 质量的金刚石膜. 石膜的有效方法，其优点是生长速度快.此法用 直流弧光放电，使以CH、H,为主要成分的混合 循环气H/CH 气体形成高温等离子体，然后将其喷射到基 阴极 片上，等离子体的高能量及它所伴有的化学反 励磁线圈 引弧嘴 应会使甲烷中的碳原子牢牢结合成金刚石的多 限速环 晶体.我们课题组用等离子体做出过小面积透 明金刚石膜”，这已在国内处于领先地位，如再 想提高生长面积，均匀性是一个必须解决的问 阳极喷嘴 题.金刚石膜生长的各个环节的均匀性是大面 冷却通道 积沉积和提高质量的关键. 1实验方法 图1大面积等离子体炬的示意图 Fig.1 Schematic diagram of large area de plasma torch 实验采用直流等离子体喷射的方法进行， 炬的示意图如图1所示.由于炬中有磁场，等离 2实验结果与讨论 子体就可以在磁场的作用下进行旋转，形成均 匀的电弧.在炬中通入氩气、氢气和甲烷3种气 21电弧状态的均匀性 体，氩气的主要作用是保护阴极和调节电弧，氢 对直流磁旋转等离子体炬的电弧状态进行 气和甲烷参与生长，金刚石的生长过程是碳的 研究，发现等离子体电弧比较稳定和均匀.由于 沉积和被刻蚀的动力学平衡过程.碳的过饱和 氩气是从中心加入的，氩气发的光比较亮，所以 度提供了形成金刚石、非晶碳和石墨的驱动力， 从图2中看到边上颜色比较浅.但实际上电弧 原子氢抑制或刻蚀非金刚石碳，并使SP键部分 是很均匀的，只是发光的颜色不一样.图2所示 的电弧经过了收缩再扩张的过程.在这种电弧 2000-03-18收稿黄天斌男，28岁，博士 中气体能得到很好的混合，气体成分比较均匀. *国家“863”高科技资助项目(N0.715-002-Z030)第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ’ 一 大面积金刚石膜的均 匀沉积 黄天斌 刘敬明 唐伟忠 钟 国仿 蒋 政 吕反修 北京科技大学材料科学与工程学 院 ， 北京 摘 要 研 究 了大面积金 刚石 膜沉积 过程 中的均 匀性 问题和 金 刚石膜 质 量 的均 匀 性 问题 研 究 表 明 用 于 生 长金 刚石 膜 的大面积磁旋转 等 离子 体 电弧是均 匀 的 ， 能使气 体 混合 均匀 金 刚石 膜在 形核 阶段是均匀 的 金 刚石 膜在 生长 阶段 是均匀 的 ， 有 利于提高成膜几率 沉积 后 的金 刚 石 膜 的质量是均 匀 的 大 面积磁控长通道等 离子矩 能 生长 均匀 的金 刚石膜 ， 可用 于金刚石膜 的 研究和 工 业生产 ， 关键词 大面积 金 刚石 膜 均 匀性 分类号 文献标识码 目前世 界 上 还 只 有 少 数研 究单 位 ， 如 美 国 的 公 司 【‘，、 公 司‘，，、 公 司 「，，， 英 国 的 公 司 ‘ 等有 能 力制 备 高质量 的金 刚 石膜 直流 电弧等 离子 体法 是 生 长 高质 量 金 刚 石膜 的有 效方法 ， 其优点 是 生长速度快 此法用 直流 弧光放 电 ， 使 以 凡 、 ， 为主 要 成分 的混合 气 体形 成 高温等离子 体 【， ， 然 后将其 喷射 到基 片上 ， 等离子 体 的高 能量及 它 所伴有 的化 学 反 应会使 甲烷 中的碳原 子 牢 牢 结合 成金 刚石 的多 晶体 我们 课题组 用 等离子 体 做 出过 小面 积 透 明金 刚 石膜门 ， 这 己在 国 内处 于 领先 地位 ， 如 再 想 提 高生 长 面 积 ， 均 匀 性 是 一 个 必 须 解 决 的 问 题 金 刚 石 膜 生 长 的各个环节 的均 匀性是 大 面 积 沉积和 提 高质量 的关键 地 转变 为 护 键 在 金 刚 石膜 生 长 过程 中 ， 基 片 温度和 腔压 也 影 响金 刚石膜 的质量 合 理地调 节 碳氢配 比 、 基 片温度 和 腔压 就 可 以生 长 出 高 质量 的金 刚 石 膜 循环 气 尤凡 励磁线圈 脚长郊李 郎攘 义 只 实验方法 实验 采用 直 流 等 离子 体 喷射 的方 法进行 ， 炬 的示 意 图如 图 所示 由于炬 中有磁场 ， 等离 子 体就 可 以在磁场 的作 用 下 进行旋 转 ， 形 成均 匀 的 电弧 在炬 中通入氢气 、 氢气 和 甲烷 种气 体 ， 氢气 的主 要 作 用 是 保护 阴极和 调 节 电弧 ， 氢 气 和 甲烷参 与 生 长 金 刚石 的 生 长 过程 是 碳 的 沉积 和 被刻蚀 的动 力学平 衡 过程 碳 的过饱和 度提供 了形 成金刚石 、 非 晶碳和 石 墨 的驱动力 原子氢抑制或刻蚀非金刚石碳 ， 并使 护 键部分 一 一 收稿 黄天斌 男 ， 岁 ， 博士 国家 “ 高科技资助项 目 · 图 大面积等离子体炬的示意图 啥 · 认 纽 妞 代 实验结果与讨论 电弧状态 的均 匀性 对 直流磁旋转等离子 体炬 的 电弧状态进行 研究 ， 发现等离子体 电弧 比较稳定和 均匀 由于 氢气 是从 中心 加 入 的 ， 氢气发 的光 比较亮 ， 所 以 从 图 中看 到边上 颜色 比较 浅 但 实际 上 电弧 是很均匀 的 ， 只 是 发光 的颜色不 一样 图 所示 的 电弧 经 过 了收缩再扩 张 的过程 在 这种 电弧 中气 体 能得到很好 的混合 ， 气体成分 比较均匀 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．05．019