Vol.24 安希忠等：CVD金刚石膜{100}取向生长的原子尺度仿真 ◆147 taile和Harris的模拟结果证明了这一点.然而实 的3种模型下仿真结果的分析，可以得出如下 际上这并不是绝对的，实验表明高的沉积速率 结论： 下也可能获得质量较好的金刚石膜.从对本文 (1)对{100}取向CVD金刚石膜形成过程的 提出模型的模拟结果我们可以看出，在较高沉 KMC仿真，可以提供生长过程中有关膜的形态 积速率下得到的膜表面粗糙度较小（与Battaile 和参数方面的信息，这些对于了解金刚石膜的 和Harris(dense)的情况相比而言)，即膜的质量 微观生长机制是十分必要的. 较高. (2)本文提出的模型获得的膜的生长速率为 图5是各种机制下，沉积过程中(100)膜表 4μmh,大于其他模型下所得到的生长速率，同 面平均高度随时间的变化.显然对于每种机制， 时也得到了较小的表面粗糙度，为获得高效优 在其它条件不变的情况下，膜的高度随沉积时 质的金刚石膜提供了可能.对Harris模型模拟 间的增加而呈近似直线的增加.同时从膜高度 的结果与他们预测的结果相当. 曲线的斜率我们也不难看出，曲线的斜率越大 (3)Harris机制中，由于参与生长的单碳组元 则膜的沉积速率越快（见图3） 只有CH和CH2,所以其沉积的速度不是很快， 16 而本实验中已检测到C和CH等单碳基团的存 在，所以本文中所提出的机制沉积速度很快；而 12 F-B机制中，除了包含单碳基团以外，还包含双 碳基团，并且双碳基团也参与到生长机制中，但 由于双碳基团只能在台阶上沉积才能导致膜的 木研究 生长，而这种台阶在(100)面的沉积中又比较少， Battaile 稀薄(Harris) 所以它的存在使沉积速度有所减慢 問密(Harris) (4)分析表明：以CH为主要生长组元的生 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 t/s 长机制比较适合于CVD金刚石膜{100}取向生 图4不同CVD金刚石膜生长机制下膜表面粗糙度的变 长的情况，过多双碳基团的存在会使沉积速度 化曲线 有所下降，这也是由金刚石{100}取向特有的结 Fig.4 Variations of film surface roughness in different 构所决定的， growth mechanisms of CVD diamond film. 参考文献 1.2 一本研究 1 Martin L R,Hill M W.Diamond Film Synthesis in a 1.0 -o-Battaile Chemically Simplified System[J].Appl Phys Lett,1989, 稀薄(Harris) 稠密(Harris) 21(55):2248 0.8 2 Martin L R,Hill M W.A Flow-tube Study of Diamond 0.6 Film Growth Methane [J].J Mater Sci Lett,1990,9(6): 621 0.4 3 Harris S J,Martin L R.Methyl Versus Acetylene as Dia- mond Growth Species [J].J Mater Res,1990,5(11):2313 0.2 4 Chu C J,D'Evelyn M P,Hauge R H,Magrave J L.Mech- 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 anism of Diamond Film Growth by Hot-filament CVD: t/s C-13 Studies [J].J Mater Res,1990,5(11):2405 图5不同机制下，膜表面高度与时间的关系 5 Yodhitaka Mitsuda,Kenji Kobayashi.Silute Gas Effect on Fig.5 Relationship between film surface height and time Diamind CVD Growth[J].Thin Solid Films,1999,345:55 in different mechanisms 6 Tsuda M,Nakajima M,Oikawa S.Epitaxial Growth Mech anism of Diamond Crystal in CH4-H2 Plasma [J].J Amer Chem Soc,.1986,108:5780 4结论 7 Matsui Y,Yabe H.Hirose Y.The Growth Mechanism of Diamond Crystals in Acetylene Flames [J].Jpn J Appl 动力学蒙特卡洛方法的使用，使对金刚石 Phys,1990,29(8):1552 膜形成的计算机仿真研究已经深入到了原子尺 8 Harris S J.Mechanism for Diamond Growth from Methyl 度.在该尺度下，通过对Harris,F-B和本文提出 Radicals [J].Appl Phys Lett,1990,56:2298安 希忠等 : C V D 金 刚石膜 毛1 0 0 }取 向生长 的原子尺度 仿真 . 1 4 7 . tai le 和 H ra si 的模拟结果证 明了这一点 然而 实 际 _ h这并不是绝对的 , 实验表 明高的沉积 速率 下 也可 能获得质量较好的金刚石膜 . 从对本 文 提 出模型 的模拟结果我们可 以看 出 , 在较 高沉 积速率下 得到的膜表面 粗糙度较小 (与 B at ial e 和 H ar i s ( d e n s e )的情况相 比而言) , 即膜 的质量 较高 . 图 5 是各种机制下 , 沉积过程 中 ( 10 0) 膜表 面平均高度随时 间的变化 . 显 然 对于 每种机制 , 在其它条件不变 的情 况下 , 膜的高度随沉积时 间的增 加而呈 近似直 线的增 加 . 同时从膜高度 曲线 的斜率我们也不 难看 出 , 曲线 的斜率越大 则膜 的沉积速率越快 (见 图 3) . 1 6 1 一 / 一 I 一, ) 不一二三 只 昌 ,一O x、 口 叫 - 」. 一~ 本研究 一 ( ) - B a tat i l e ~ 稀薄 (H ar i s ) 一夕 一 - 稠密( H ar i s ) 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 t / s 图 4 不 同 C V D 金 刚石膜 生长机制下膜 表面粗糙 度 的变 化 曲线 F ig . 4 Va r i a ti o n s o f if lm s u r fa c e r o u g h n e s s i n d i fe er n t g or w t h m e e h a n i s m s o f C V D d i a m o n d if l m . 的 3 种模 型下仿真结果 的分析 , 可 以得 出如下 结论 : ( l) 对 { 10 }取 向 C V D 金刚石膜形成过程 的 K M C 仿真 , 可 以提供生 长过程中有关 膜的形态 和 参数方 面 的信息 , 这些对于 了解金 刚石 膜 的 微观生 长机制是 十分必要 的 . (2 )本文 提出的模型 获得的膜 的生长速率为 4 卜m 爪 , 大于 其他模 型 下所得到 的生长速率 , 同 时也得到 了较小 的表面 粗糙度 , 为获得高效优 质 的金刚石 膜提供 了可 能 . 对 H ar i s 模型 模拟 的结果与他们预测 的结果相 当 . ( 3) H ar is 机制中 , 由于参 与生长的单碳组 元 只 有 c H , 和 C H Z , 所 以其沉 积的速度不 是很快 , 而本实验 中已检测 到 C 和 C H 等单 碳基团 的存 在 , 所 以本文中所提 出的机制沉积速度很快 ; 而 F书 机制 中 , 除了包含单碳基 团以外 , 还 包含双 碳基 团 , 并 且双碳基团 也参 与到生 长机制中 , 但 由于双 碳基团 只能在 台阶上 沉积 才能导致膜的 生长 , 而这种台阶在 ( 1 0 0) 面 的沉积 中又 比较少 , 所 以 它的存 在使 沉积速度有所减慢 . (4 )分析表 明 : 以 C H , 为主 要生 长组元 的生 长机 制 比较适合 于 C V D 金刚石膜 笼10 0} 取 向生 长的情况 , 过多双碳基 团 的存在会使沉积速度 有所下 降 , 这也是 由金刚石 110 0} 取 向特有的结 构所决定 的 . 本研究 B a t t a i l e 稀薄( H ar i s ) 稠密(H ar i s ) 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 t / s 图 5 不 同机 制下 , 膜表面 高度 与时 间的关 系 F i g · 5 R e l a t i o n s h iP b e wt e e n if lm s u r af c e h e i g h t a n d ti m e i n d i l】’e er n t m e e h a n i s m S 4 结论 动力学蒙特 卡洛方法 的使用 , 使对金刚石 膜形成的计算机仿真研究已 经深人到了 原子尺 度 . 在该尺 度下 , 通 过对 H a r is , F一 和本文提 出 参 考 文 献 1 M a rt i n L R , H il l M W. D i a m o n d Fi lm s y n th e s i s i n a C h e m i c a lly S im P li if e d S y s t e m 【J] . A PP I Phy s l · e t , 1 9 8 9 , 2 1 ( 5 5 ) : 2 2 4 8 2 M a rt i n L R , H i l l M W A F l o w 一 tu b e s tU dy o f D i am o n d F il m G r o wt h M e th an e tJ] . J M a t e r S e i L e t , 19 9 0 , 9 (6 ) : 6 2 1 3 H ar i s S J , M art i n L R . M e ht y l Ve r s u s A e e yt l e n e a s D i a - m o n d G r o wt h S Pe c i e s 【J] . J M at e r R e s , 19 9 0 , 5 ( 1 1) : 2 3 13 4 C h u C J , D , E v e ly n M P, Ha u g e R H , M a g r a v e J L . M e e h - a n i s m o f D i am o n d F il m G or w th by H o t 一 if l am e n t C V D : C · 13 S t u d i e s 【J』 . J M at e r R e s , 1 9 9 0 , 5 ( 1 1 ) : 2 4 0 5 5 oY d h iat k a M i t s u d a , K e nj i K o b ay a s h i . S il u t e G a s E fe e t o n D i a m i n d C V D G r o wt h 【J] . T hi n S o lid F i lm s , 1 9 9 9 , 3 4 5 : 5 5 6 sT u d a M , N a akj im a M , O i k aw a S . E Pi t ax i a l G r o w t l l M e c h - a n i s m o f D i a m o n d C yr s t a l i n C H 4 一 H Z Pl a s m a 【J] . J A m e r C h e m S o e , 19 8 6 , 1 0 8 : 5 7 8 0 7 M at s u i Y, aY b e H , H i or s e Y Th e G r o wt h M e e h an i s m o f D i am o n d C yr s t a l s i n A e e yt l e n e F l a m e s 【J ] . J P n J A PP I P hy s , 1 9 9 0 , 2 9 ( 8 ) : 15 5 2 8 H ar i s S J . M e e h a n i s m fo r D i a m o n d G r o w th fr o m M e th y l R a d i e a l s [J』 . A P P I P h y s L e t , 19 9 0 , 56 : 2 2 9 8 叹\口日 0 nU0 一城ù 64 ,`匡