高品質金剛石膜微波等離子體CVD技術的發展現狀

唐偉忠，于盛旺，范朋偉，李義鋒，蘇靜杰，劉艷青

(北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083)

高品質金剛石膜微波等離子體CVD技術的發展現狀

唐偉忠，于盛旺，范朋偉，李義鋒，蘇靜杰，劉艷青

(北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083)

金剛石膜擁有許多優異的性能。在制備金剛石膜的各種方法之中，高功率微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)法因其產生的等離子體密度高，同時金剛石膜沉積過程的可控性和潔凈性好，因而一直是制備高品質金剛石膜的首選方法。在世界范圍內，美、英、德、日、法等先進國家均已掌握了以高功率MPCVD法沉積高品質金剛石膜的技術。但在我國國內，高功率MPCVD裝備落后一直是困擾我國高品質金剛石膜制備技術發展的主要障礙。首先綜述國際上高功率MPCVD裝備和高品質金剛石膜制備技術的發展現狀，包括各種高功率MPCVD裝置的特點。其后，回顧了我國金剛石膜MPCVD技術的發展歷史，并介紹北京科技大學近年來在發展高功率MPCVD裝備和高品質金剛石膜制備技術方面取得的新進展。

MPCVD金剛石膜沉積技術;高品質金剛石膜

1 前言

由于金剛石膜同時擁有許多優異的性能，如極高的硬度和彈性模量、極高的室溫熱導率、相對寬的禁帶和電磁波透過范圍、極佳的介電和絕緣性能、優異的半導體性能、良好的化學穩定性、極高的抗輻射閾值等，因而是眾多傳統及高技術領域中迫切需要的一種新材料［1］。

在目前多種可用于制備金剛石膜的方法之中，微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)法由于其產生的等離子體密度高，金剛石膜沉積過程的潔凈性和可控性好，因而一直是制備高品質金剛石膜的首選方法。在這里，所謂高品質是相對于只強調金剛石膜要有高的機械性能的傳統應用來講的。籠統地講，高品質金剛石膜包括早期的所謂熱沉級、光學級以及后來的所謂電子級或探測器級的金剛石膜，其共同特點是其結構完整性高、純度高，因而其熱學、光學、電學性能優異。從這一點上來講，高品質金剛石膜是一些物性指標可與天然金剛石單晶相比，能使金剛石膜的多功能特性得到全面發揮，可被應用于像光學器件、高功率激光和微波以及寬禁帶半導體器件制造，在高技術領域中有著重要應用前景。

在使用傳統的MPCVD裝置進行金剛石膜沉積時，金剛石膜沉積速率低的問題一直是該技術發展的一大瓶頸，特別是在制備較大面積的高品質金剛石膜時，金剛石膜的沉積速率通常只有1 μm/h左右。解決這一問題的途徑其實也很簡單，即提高MPCVD金剛石膜沉積裝置的可輸入功率和功率密度［2］。從這一意義上來講，發展高功率MPCVD金剛石膜沉積裝置是發展高品質金剛石膜沉積技術的關鍵。

本文首先回顧國際上MPCVD金剛石膜沉積裝置發展的歷史，并對比世界各國高功率MPCVD金剛石膜沉積裝置各自的特點。在此之后，簡單回顧我國MPCVD金剛石膜沉積裝置技術發展的歷史，并介紹北京科技大學近年來在發展高功率MPCVD金剛石膜沉積裝置技術方面作出的努力和取得的進展。

2 國外MPCVD金剛石膜沉積技術的發展

圖1 石英管式MPCVD裝置的示意圖Fig.1 Schematic diagram of a quartz tube type MPCVD reactor

在常溫常壓條件下，金剛石處于亞穩態。因此，金剛石膜的各種沉積技術都要借助于氫等離子體。在20世紀80年代初發展起來的各種金剛石膜沉積技術中，用微波作為激發等離子體手段的MPCVD裝置最早出現于1983年［3］。圖1是當時使用的石英管式MPCVD裝置的示意圖。該裝置以波導中傳輸的微波直接激勵石英管內的氫氣以形成等離子體，其結構極為簡單，但其可輸入的微波功率受石英管的限制，只能達到幾百瓦的水平，其金剛石膜的沉積面積太小，目前已較少使用。

為提高MPCVD裝置的功率和金剛石膜的沉積面積，20世紀80年代末出現了圖2所示的石英鐘罩式MPCVD裝置［4］。這一裝置使用模式轉換器和同軸天線作為激勵手段將微波耦合進諧振腔后，在圓柱形諧振腔內的石英鐘罩中產生等離子體。這一設計使MPCVD裝置可輸入的微波功率有了一定程度的提高，但由于石英鐘罩的尺寸較小，這一裝置可輸入的微波功率也不能太高，因為在高功率條件下，氫等離子體會對石英鐘罩造成刻蝕。石英鐘罩式MPCVD裝置的輸入功率一般限于2～3 kW。

其后，在石英鐘罩式MPCVD裝置的基礎上進行改進，出現了圖3所示的圓柱金屬諧振腔式MPCVD裝置［5］。對比圖2、圖3之后可以發現，兩種MPCVD裝置間的差別僅在于圓柱諧振腔式裝置使用平板狀的石英窗口替代了石英鐘罩式裝置中的石英罩。由于圓柱金屬諧振腔式裝置主要由通過水冷的金屬沉積室所構成，其平板狀的石英窗與氫等離子體相距較遠，而可望這一裝置能夠避免氫等離子體對石英窗造成刻蝕，即可在一定程度上提高可輸入的微波功率。但人們很快發現，由于圓柱諧振腔式MPCVD裝置的石英窗距離等離子體區域較遠，因而會造成在石英窗與等離子體區域之間出現微波電場的次強區。在輸入的微波功率較高時，次強區不可避免地會產生次生等離子體并造成石英窗的刻蝕。因此，圓柱金屬諧振腔式MPCVD裝置的實際輸入微波功率一般不能超過5 kW。

20世紀90年代初，美國Besen等［6］提出了一種多模非圓柱諧振腔式MPCVD裝置的設計方案，其結構如圖4所示。2002年，德國Pleuler等［7］也報道了一種類似的裝置設計。上述兩種MPCVD裝置的共同特點是其微波的輸入改由一環形天線來完成，而環狀的石英窗則被安置在了環形天線的下方。這樣做的好處是，石英窗被藏在了沉積臺的下方，避免了它易被氫等離子體刻蝕所造成的弊端。這一設計理念的采用，使MPCVD金剛石膜沉積裝置的功率達到了6～8 kW的高水平。多模非圓柱諧振腔式MPCVD裝置的外形很不規則，因而其設計難度較大，這造成Pleuler等的裝置的設計并不成功。

圖4 多模非圓柱諧振腔式MPCVD裝置的示意圖Fig.4 Schematic diagram of a multimode non-cylindrical cavity type MPCVD reactor

1997年，德國Fuener等設計出了一種橢球諧振腔式MPCVD裝置［8］，其結構示意圖如圖5所示。由圖可見，橢球諧振腔式MPCVD裝置也是由金屬諧振腔和石英鐘罩組成，并也使用天線作為微波的激勵手段。這一裝置的主要特點是其巧妙地利用了橢球的上下焦點可使微波會聚的原理，讓微波從處于橢球上焦點的天線發出，而讓金剛石膜的沉積位置處于橢球的下焦點處。橢球諧振腔式MPCVD裝置的諧振腔尺寸較大，因而它可以使用較大尺寸的石英鐘罩，這使得在一般輸入功率水平下，其產生的等離子體與石英鐘罩之間有較大的距離，降低了因石英鐘罩被刻蝕而造成金剛石膜被污染的危險。2.45 GHz頻率的橢球諧振腔式MPCVD裝置的微波輸入功率可達到6 kW。

圖5 橢球諧振腔式MPCVD裝置和示意圖Fig.5 Schematic diagram of an ellipsoidal cavity type MPCVD reactor

綜上所述，在金剛石膜沉積技術高速發展的20年間，在世界范圍內出現了多種MPCVD金剛石膜沉積裝置，其發展經歷了從早期的石英管式、石英鐘罩式、圓柱金屬諧振腔式到后期的多模非圓柱諧振腔和橢球諧振腔式的發展過程。與此同時，MPCVD金剛石膜沉積裝置的功率水平也從早期的幾百瓦提高到了目前大多數裝置的數千瓦的水平。目前，石英管式裝置由于其功率較低，已較少采用;石英鐘罩式和圓柱金屬諧振腔式裝置的功率水平適中，在相當范圍內還在使用;多模非圓柱諧振腔式與橢球諧振腔式裝置可輸入的微波功率較高，可被粗略地歸類為高功率MPCVD裝置，其特點是其微波輸入功率一般超過5 kW。同時需要指出的是，上述對MPCVD裝置功率的描述都是針對較為常用的頻率為2.45 GHz的裝置而言的，而對頻率較低的915 MHz的MPCVD裝置來說，由于其波長較長和可激勵產生的等離子體的尺寸較大，因而其MPCVD裝置的功率相應會更高。

目前，美、英、德、日、法、俄等國均發展了自己的MPCVD金剛石膜沉積裝置。表1列舉了作者收集的國際上有代表性的MPCVD金剛石膜沉積裝置的基本情況。從表1中的數據可以看出，目前國際上流行的MPCVD金剛石膜沉積裝置包括石英鐘罩式、圓柱金屬諧振腔式、多模非圓柱諧振腔式以及橢球諧振腔式4種，多數頻率為2.45 GHz的MPCVD裝置的功率處于5～6 kW的范圍。值得注意的是，英國Element 6公司作為世界鉆石業巨頭的子公司，其MPCVD金剛石膜沉積技術的細節從未對外公布。

表1 國外典型MPCVD裝置的主要技術數據Table 1 Specifications of MPCVD reactors manufactured abroad

3 不同MPCVD金剛石膜沉積裝置中微波電場的分布模式

在對比各種不同的MPCVD裝置時，需要談及其微波電場的分布模式。圖6對比了各種主要的MPCVD裝置中微波電場的分布模式。在石英鐘罩式以及圓柱金屬諧振腔式裝置中，微波電場的分布模式都是簡單的圓波導中微波傳輸的TM01模式;在多模非圓柱金屬諧振腔式以及橢球諧振腔式裝置中，微波電場的分布模式較為復雜。根據Silva等人［9］的分析，在后兩種裝置中，微波電場的主要分布模式分別屬于TM01/TM02混合模式以及由TM036模式演化而來的復雜模式。

圖6 不同MPCVD裝置中微波電場的分布模式:(a)石英鐘罩式，(b)圓柱金屬諧振腔式.(c)多模非圓柱諧振腔式以及(d)橢球諧振腔式裝置Fig.6 Microwave electric field distribution in(a)quartz bell jar，(b)cylindrical cavity，(c)multimode non-cylindrical cavity，and(d)ellipsoidal cavity type MPCVD reactors

不同MPCVD裝置中微波電場分布模式的不同，不僅決定了裝置中微波能量的傳輸模式，而且決定著裝置能夠被施加的功率水平。在石英鐘罩式、圓柱金屬諧振腔式裝置中，微波電場的分布模式相對簡單，它決定了裝置中石英鐘罩、圓柱金屬諧振腔的直徑都比較小。這一特點造成的直接后果是，對石英鐘罩式裝置來說，其可施加的功率不能過高，否則石英鐘罩會過熱和被刻蝕;對圓柱金屬諧振腔式裝置來說，其可施加的功率也不能過高，否則石英窗下微波電場的次強區就會產生次生等離子體，而這也會造成石英窗過熱和被刻蝕。

對于多模非圓柱金屬諧振腔式以及橢球諧振腔式的裝置來說，其微波電場的分布模式較為復雜，同時，其諧振腔的尺寸也較大。因此，對仍使用石英鐘罩的橢球諧振腔式裝置來說，其可施加的功率因其石英鐘罩的尺寸較大而有所提高;對使用環狀石英窗的多模非圓柱金屬諧振腔式裝置來說，由于其石英窗遠離了等離子體，因而其可施加的功率可相對更高。

以上的分析表明，隨著MPCVD技術的進步，MPCVD裝置中微波電場的分布模式也在逐漸發生演化，從最初相對簡單的模式向著相對復雜的模式轉變。伴隨著這一過程，MPCVD裝置的功率水平也獲得了相應的提高。

4 我國MPCVD金剛石膜沉積裝置技術的發展歷史

相對于我國發展得較為成熟、已經實現產業化的熱絲CVD和直流電弧等離子體噴射CVD金剛石膜沉積技術而言，我國MPCVD金剛石膜沉積技術的發展較為落后。這一情況在一定程度上制約了我國高品質金剛石膜沉積技術的發展。

1993年，我國自行研制的石英鐘罩式MPCVD裝置，其輸入功率為800 W［10］。1997年，我國研制了圓柱金屬諧振腔式MPCVD裝置，其配備的微波電源的功率為5 kW［11］。目前，國內的多個實驗室裝備了石英鐘罩式以及圓柱金屬諧振腔式MPCVD金剛石膜沉積裝置，其普遍存在的問題是功率水平低、金剛石膜的沉積面積小、沉積速率低。

除了自行研制MPCVD金剛石膜沉積裝置外，國內的一些研究單位也從國外購置了MPCVD裝置。吉林大學使用日本SEKI公司產的ASTEX5250型5 kW圓柱諧振腔式MPCVD裝置，研究了光學級金剛石膜的沉積工藝和單晶金剛石膜的同質外延［12］;天津理工大學利用日本SEKI公司的AX6350型6 kW多模非圓柱諧振腔式MPCVD裝置，開展了金剛石膜聲表面波器件的研究［13］;中電集團12所利用Lambda公司的DiamoTek700型石英鐘罩式MPCVD裝置，開展了微波器件用高品質金剛石膜的制備技術研究［14］。上述MPCVD裝置的引進，在一定程度上緩解了我國MPCVD裝備技術落后的局面，促進了我國金剛石膜沉積技術水平的提高。

5 北京科技大學發展MPCVD金剛石膜沉積裝置技術的努力

在高品質金剛石膜MPCVD沉積技術的發展中，MPCVD裝置技術的發展一直占據著重要的地位。在國際上MPCVD裝置發展到了多模非圓柱諧振腔、橢球諧振腔式裝置的同時，我國的科技界一直停留在使用石英鐘罩式以及圓柱金屬諧振腔式MPCVD裝置的階段。

為了提升我國MPCVD裝置技術和高品質金剛石膜沉積技術的水平，北京科技大學近年來開展了MPCVD金剛石膜沉積裝置的研究工作。目前，該研究已經開始取得一些重要的進展，其中包括:

(1)針對高功率MPCVD裝置都屬于具有復雜微波電場分布模式的特點，大力開展了MPCVD裝置模擬技術的研究［15］;

(2)在模擬技術的幫助下，研制了一臺橢球諧振腔式MPCVD裝置，其最高微波輸入功率可達8 kW［16］;

(3)研制了一種全新的具有圓柱形外型、但卻是多模諧振腔式的MPCVD裝置，其最高微波輸入功率已達8 kW［17］;

(4)利用上述兩種高功率MPCVD裝置，分別實現了較高品質金剛石膜的沉積［18－19］。目前，高品質金剛石膜的性能已達到:室溫熱導率κ＞19 W/cm·K，35 GHz波長處的微波介電損耗角正切tgδ＜10－4。

圖7是所研制的橢球諧振腔式MPCVD裝置的圖片。而由圖6可知，在該裝置中，微波電場的分布模式是由TM036模式演化而來的，而其可輸入的微波功率受到其所使用的石英鐘罩的限制。實驗表明，其最高微波輸入功率約為8 kW。

圖7 橢球諧振腔式MPCVD裝置Fig.7 The ellipsoidal cavity type MPCVD reactor

圖8是新型圓柱多模諧振腔式MPCVD裝置的照片、其結構示意圖以及其內部微波電場的模擬結果。由圖8b可見，新裝置具有較為簡單的圓柱式外形，同時它采用了環狀石英窗的設計方案，因此，該裝置結合了圓柱諧振腔式以及多模非圓柱諧振腔式MPCVD裝置兩者的優點，一方面其結構較為簡單，具可調節性，另一方面其石英窗不易受到等離子體的刻蝕，因而可被用于較高的微波功率。由圖8c顯示的裝置中微波電場的分布可以看出，其微波電場的分布主要表現為TM022模式的分布特征。

圖8 圓柱多模諧振腔式MPCVD裝置(a)，其示意圖(b)和其中的電場分布(c)Fig.8 A photo(a)，a schematic diagram(b)，and microwave electric field distribution(c)in the new cylindrical cavity type MPCVD reactor

圖9是使用上述兩種MPCVD裝置沉積的直徑分別為63 mm和30 mm的較高品質金剛石自支撐膜的照片。使用橢球諧振腔式MPCVD裝置，在微波輸入功率為8 kW、沉積直徑為63 mm時，較高品質金剛石膜的沉積速率可大于3 μm/h;使用新型圓柱多模諧振腔式MPCVD裝置，在微波輸入功率為6 kW、沉積直徑為30 mm的情況下進行較高品質金剛石膜的沉積時，沉積速率可大于 8 μm/h。

圖9 利用橢球諧振腔式、圓柱多模諧振腔式MPCVD裝置沉積的較高品質的金剛石自支撐膜:(a)橢球諧振腔式裝置，直徑63 mm，(b)圓柱多模諧振腔式裝置，直徑30 mmFig.9 Free standing diamond films prepared with the ellipsiodal cavity type MPCVD reactor(a)and the new cylindrical cavity type MPCVD reactor(b)

6 結語

我國MPCVD金剛石膜沉積裝置和高品質金剛石膜沉積技術的發展相對落后。造成這一局面的原因除了我國企業、研究單位的基礎較為薄弱這一客觀因素之外，我國的金剛石膜沉積技術在熱絲CVD、直流電弧等離子體噴射CVD兩種相關技術方面發展較快這一現實，也在一定程度上抑制MPCVD技術的發展。

高功率MPCVD裝置技術作為制備高品質金剛石膜的基礎條件近年來重新受到了我國科技界的重視。我們有理由相信，在結合了企業、科研單位兩方面的優勢之后，我國高功率MPCVD裝置技術的發展會逐漸趕上國際先進水平。在此基礎上，我國高品質金剛石膜的制備技術也會像目前我國的熱絲CVD、直流電弧等離子體噴射CVD兩種技術一樣，逐漸成熟起來并最終實現產業化。

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Developments in Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition Technology for Preparing High Quality Diamond Films

TANG Weizhong，YU Shengwang，FAN Pengwei，LI Yifeng，SU Jingjie，LIU Yanqing
(College of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Diamond films possess many remarkable properties.Among the various techniques to deposit diamond films，high power microwave plasma chemical vapor deposition(MPCVD)method has the advantages of high density plasma，good controllability and clean environment free from electrode material contamination.Therefore，MPCVD has remains the primary technique useful for depositing high quality diamond films.Western countries have developed abilities to deposit high quality diamond films by using high power MPCVD techniques.In contrast，slow development in high power MPCVD apparatus has remained a main obstacle for China to develop its ability to produce high quality diamond films material.In this article，we first review the evolution of high power MPCVD diamond films deposition techniques both abroad and at home.Then，we will present new results of our recent effort to develop high power MPCVD diamond films deposition techniques.

high power MPCVD technique;high quality diamond films

唐偉忠

TB79;TQ164

A

1674－3962－(2012)08－0033－07

2011－10－12

國家自然科學基金(10675017);國際科技合作項目(2010DFR50130)

唐偉忠，男，1955年生，教授，博士生導師