Vol.21 No.4 钟国仿等：基片温度对直流电弧等离子体喷射沉积金刚石膜的影响 ·355- 1580cm'附件还存在一个反映金刚石膜中非金 易聚合生成多环芳香簇化合物，导致无定形碳 刚石碳的宽广峰，并且该峰先是随着温度的增 的形成，因此较低基片温度下沉积的金刚石薄 加逐渐降低，而后又逐渐增加.图4所示RAM- 膜中非金刚石碳含量较高，金刚石薄膜的质量 AN谱中非金刚石碳宽广峰与金刚石特征峰强 较差. 度的比值与基片温度的关系清楚地反映了这一 (2)当基片温度过高时，金刚石膜表面原子 点.这表明非金刚石碳的含量在1000~1100℃达 氢的脱附率大大高于其吸附率，不管是从热力 到最低值.由于激光RAMAN散射对非金刚石 学上还是动力学上，石墨将越来越易于沉积刚， 碳SP键比对金刚石P键要敏感50倍以上， 在基片温度高达1300℃时，甚至观察到了微晶 因此即使在800或1160℃，金刚石薄膜的质量 石墨的生长.因此基片温度过高时，金刚石薄 也相当良好. 膜的质量也要降低 从RAMAN谱中还可以得到另外一个重要 815℃ 信息，即金刚石特征峰的半高峰宽.一般认为， 910℃ 半高蜂宽反映了金刚石薄膜的结晶性，其值愈 955℃ 小，金刚石薄膜的结晶性就愈好，图5示意的 RAMAM谱中金刚石特征峰的半高峰宽随基片 1050℃ 1100℃ 温度的变化趋势表明，金刚石薄膜的结晶性随 1160℃ 着基片温度的增加而显著变差.其产生原因可 能与金刚石薄膜的生长速率随基片温度增加而 1.11.21.31.41.51.61.71.8 提高有关，但是两者变化趋势的不一致有待进 波数/cm1 一步研究. 图3不同温度下沉积的金刚石薄膜的RAMAN谱 10 12 11 10 6 3 800 900 100011001200 800 900 1000 11001200 基片温度，t℃ 基片温度，/℃ 图5 RAMAN谱中金刚石特征峰的半高峰宽 图4金刚石薄膜中非金刚石碳的相对含量与基片 与基片温度的关系 温度的关系(IL为RAMAN谱中非金刚石碳峰 与金刚石特征蜂强度的比率) 3结论 以上结果表明金刚石薄膜质量在基片温度 (1)在直流电弧等离子体喷射化学气相沉积 为1000-1100℃时最佳，进一步增加或降低基 金刚石薄膜条件下，金刚石薄膜的生长速率随 片温度都将导致金刚石薄膜质量下降.其产生 基片温度的增加而增加， 原因可能在于： (2)随着基片温度的升高，金刚石薄膜中非 (1)大量过饱和原子氢的存在是沉积高质量 金刚石碳的相对含量先是逐渐降低，在1000~ 金刚石薄膜的基本条件之….然而，随着基片温 1100℃附近达到最低值后又逐渐增加，即在基 度的降低，边界层的厚度相对增大，通过边界层 片温度为1000-1100℃条件下制备的金刚石薄 时，活性原子氢H的浓度较其他活性基团如CH, 膜质量最佳， 的浓度降低得更快（氢气较甲烷气更难分解，因 (3)金刚石薄膜的结晶性随基片温度的增加 此H较CH,更易复合)，表现为甲烷有效浓度的 而显著变差. 增加：此外，在低的基片温度下，在基片表面容V心1 . 2 1 N o . 4 钟 国仿等 : 基片 温度 对直流 电弧 等离 子体 喷射沉积 金 刚石膜 的影 响 1 5 8O cm 一 ,附件还存在一个反映金刚石 膜 中非金 刚石碳 的宽广峰 , 并 且该峰先是 随着温度 的增 加逐 渐降低 , 而后 又逐渐增加 . 图 4 所示 R A M - A N 谱 中非金 刚石 碳 宽广峰 与金 刚石特 征峰强 度 的比值 与基片温度 的关系清楚地 反映 了这一 点 . 这表 明非金刚石 碳的含 量在 1 0 0 一 1 10 ℃ 达 到最 低值 . 由于 激光 R A M A N 散射对非金 刚石 碳 人尸 2 键 比对 金 刚石 SP , 键 要敏 感 50 倍 以上 { 6 , , 因 此 即使在 8 0 或 1 160 ℃ , 金刚石 薄膜 的质量 也相 当 良好 . 侧 卿 易聚合 生 成多环 芳香簇化 合物 , 导致 无定形 碳 的形 成 `7 , , 因此较低基片温度下 沉积 的金 刚石薄 膜 中非金刚石 碳含量较高 , 金刚石 薄膜的质量 较差 . (2) 当 基片温度过高 时 , 金 刚石膜表 面原子 氢 的脱 附率大大高于 其吸 附率 , 不 管 是从热力 学上 还 是 动力学上 , 石 墨将越 来越 易于沉 积 `8] , 在基片温度 高达 1 3 0 ℃ 时 , 甚至 观察 到了 微 晶 石 墨 的生长 `2] . 因此基 片温度 过高时 , 金 刚石薄 膜 的质 量 也 要 降低 . 从 RA M A N 谱 中还 可 以得到 另外一 个重要 信息 , 即 金 刚 石 特征 峰的半高峰宽 一般 认为 , 半高峰 宽反 映 了金 刚石薄膜 的结晶 性 , 其 值愈 小 , 金刚石 薄膜 的结晶性就 愈好 . 图 5 示意的 R A M A M 谱 中金 刚 石特征 峰 的半 高峰 宽随基 片 温 度 的变 化趋 势表明 , 金 刚石 薄膜 的结 晶性 随 着 基片温度 的 增加 而 显 著变差 . 其产生 原 因可 能 与金刚 石 薄膜 的生长 速率随基 片温度增加而 提 高有关 , 但是两者变化趋势 的不 一 致有待进 一 步研究 . 12二098 .。世袍趁似升日 波数 / e m 一 ’ 圈 3 不同遥度下沉积 的金刚石薄膜的 R A M A N 谱 10 】 一 下 一 — 一一 一一— ~ 一 一一- - - 州 丹一`O0 芝ǎ心泛 4 五卿奢à 3 L se e se we e e we -l es we 一一一一上一一一石 8 00 90 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 20 0 基 片温度 , t吧 图 4 金刚石薄膜 中非金刚石碳的相对含量 与基片 温度的关系 ( 乙巩 为 R A M A N 谱 中非金刚石碳峰 与 金刚石特 征峰强度 的比率 ) 800 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 基片温度 , t/ ℃ 图 5 R A M A N 谱中金刚石特征峰的半高峰宽 与基片温度 的关系 以上 结果表 明金 刚石 薄膜质量在基 片温度 为 1 0 0 0 一 1 1 0 0℃ 时最 佳 , 进一 步 增 加或 降低基 片温度 都将导 致金刚 石薄 膜质量下 降 . 其产 生 原因 可 能在于 : ( l) 大量 过饱和 原子 氢的 存在 是沉 积 高质量 金刚 石 薄膜的基本条件之 一 然而 , 随着基片温 度的降低 , 边界层 的厚度相 对增 大 , 通过边界层 时 , 活性原子氢 H 的浓度较其他活性基团如 C H 〕 的浓度降低得更快 ( 氢气 较 甲烷气更 难分解 , 因 此 H 较 C H , 更易复合 ) , 表现为 甲烷有 效浓度的 增加 ; 此外 , 在低的基片温 度下 , 在基 片表面容 3 结论 ( l) 在直流 电弧 等离子体喷射化学气相沉积 金 刚 石薄膜 条件 下 , 金 刚 石 薄膜 的生 长 速率 随 基 片温度 的增加 而 增 加 . (2 )随着基 片温度 的升高 , 金刚 石薄膜 中非 金 刚 石 碳 的相对含量先 是 逐渐 降低 , 在 1 0 0 一 1 10 0℃ 附近 达到最低值后又逐 渐增加 , 即 在基 片温度 为 1 0 0 一 1 10 ℃ 条件下 制备的金刚石 薄 膜质 量最佳 . ( 3) 金 刚石薄膜 的结 晶性随基 片温度的增加 而 显 著变差