内孔热丝CVD设备与金刚石薄膜沉积原理

内孔HFCVD金刚石薄膜沉积的反应设备示意图如图4-1（a）所示。HFCVD金刚石薄膜沉积的全部反应过程在钟罩形真空反应腔内进行，反应气体入口接气源（氢气、丙酮、氩气等），反应气体出口外接旋转真空泵以构成真空系统。基体放置于水冷工作台上，水冷工作台内部以及钟罩外壁内部通循环水进行冷却。热丝采用单根钽丝或者多根钽丝绞制的绞丝，根据不同的内孔形状选择不同的热丝长度、直径、根数和排布方式等。对普通圆孔而言，热丝置于圆孔的圆心位置，一端固定，另外一端用高温弹簧拉直，对特殊孔型的内孔而言则要对其排布方式进行优化。通过热丝电源为热丝提供一定的发热功率，将热丝加热到足够的温度，在热丝与基体之间施加一偏压电流，以推动在热丝附近离解后的正离子基团从热丝附近流向基体表面，以增加金刚石薄膜的成核密度。

图4-1　内孔HFCVD金刚石薄膜沉积的反应设备示意图及反应原理(www.xing528.com)

（a）反应设备示意图；（b）反应原理图

内孔HFCVD金刚石薄膜沉积的反应原理如图4-1（b）所示。HFCVD金刚石薄膜沉积过程中通常采用的反应气体是大量的氢气和少量的碳源气体（如甲烷、丙酮、甲醇、乙醇、乙炔等）。具有金刚石结构的甲基（—CH3）和大量的氢原子对CVD金刚石薄膜的沉积具有非常关键的作用。甲基可以通过与基体表面的相互作用或者通过甲基之间的相互作用形成C—C共价键，进而在基体表面成核形成金刚石晶核，在高能粒子的持续作用下，用活性的甲基逐步取代晶核中的氢，就能逐渐连接形成金刚石薄膜，因此选择具有类似金刚石结构、可非常容易地离解出甲基原子团的碳源气体（如甲烷、丙酮、甲醇等）更有利于金刚石薄膜的沉积［8，121-122］。大量氢气的作用主要有三个：一是分解出的氢原子有助于产生活性的甲基基团；二是超平衡氢原子的存在有利于金刚石sp3键的稳定，不利于生成石墨的sp2键；三是原子态的氢对生成的石墨可起到选择性刻蚀的作用，去掉反应过程中生成的石墨相成分，保留金刚石相成分。在HFCVD金刚石薄膜沉积过程中会同时并持续进行下述反应：一是分解反应，即分解碳源及氢气形成含碳的活性基团或氢原子的反应。在HFCVD方法中主要通过高温热丝热解的方式实现，其中H—H键的键能要大于其他键的键能，因此在热解反应中，要求热丝温度能够达到分解H—H键的要求，即被加热到2 000℃以上。常用的热丝材料主要是钽丝或钨丝，钽丝具有更高的熔点和高温状态下较好的热力学稳定性，因此本书中采用钽丝作为热丝。二是C—C键的成键反应。常温常压下碳呈石墨相，只有在高温高压下的金刚石才是热学稳定相，在低压条件和500～1 000℃有一金刚石的亚稳定区，这就是适合低压气相沉积金刚石薄膜的反应温度范围。如果基体温度过高，沉积物中会含有较多石墨成分；基体温度过低，沉积物中出现无定形碳或类金刚石成分。在本书研究中一般需要将基体温度控制在800～900℃，这一严格的温度范围仍然属于石墨的稳定区，在这一范围内C—C成键反应形成的既有石墨sp2相成分，也有金刚石sp3相成分。三是原子态的氢对石墨的刻蚀作用，该反应有助于有效减少基体表面的石墨sp2相成分，增加金刚石sp3相成分，最终形成sp3相占主导的金刚石薄膜［123］。

在HFCVD金刚石薄膜沉积过程中存在两个关键的温度数值，其一是热丝温度必须被加热到2 000℃以上，才能进行比较有效率的碳源和氢气分解反应，并且分解效率随温度上升而增加；其二是基体温度要控制在800～900℃的温度范围内（或者较为宽泛的温度范围，如500～1 000℃），这一温度相对于热丝温度而言较低。在平面沉积或者外表面复杂形状沉积的过程中，由于热丝的可调空间较大，因此在热丝与基体表面之间形成800～2 000℃的温度梯度比较容易。但是对于内孔沉积而言，内孔尺寸已经将热丝-基体间距以及热丝的排布方式严格限制在一定范围内，因此如何通过辅助的换热手段或其他措施解决“热丝温度要求尽量高”和“基体温度要求相对较低”这两点之间的矛盾，在保证热丝高温的前提下将基体温度控制在适宜的范围内，也是本书对于内孔沉积HFCVD金刚石薄膜过程中的温度场分布进行理论研究的主要目的之一。此外，基体表面温度分布的不均匀会显著影响基体表面附近的反应气体密度和活性粒子的分布均匀性，进而在温度场和气场双重不均匀性的作用下导致沉积得到的金刚石晶粒大小不一，金刚石薄膜表面凸凹不平，使得金刚石薄膜表面粗糙度下降，影响金刚石薄膜的应用。在HFCVD反应腔内，尤其是小孔径沉积时内孔区域气体的流动状态也会影响待沉积内孔表面附近的反应气体和活性粒子含量，进而影响金刚石薄膜的沉积。在批量化内孔金刚石薄膜沉积过程中，多根热丝、多个基体及反应腔内的其他部件之间会存在复杂的相互影响，多个基体之间的温度分布差异性更加明显，而这些差异会显著影响批量化产品质量的均一性和稳定性，这些因素都促使我们系统地研究内孔沉积金刚石薄膜过程中的温度场和气场的分布状况。