微波等离子体化学气相沉积金刚石薄膜的制备

引言：

化学气相沉积（CVD）金刚石薄膜，一般在未经过处理的衬底上难以成核和生长。用超硬材料颗粒对衬底进行机械处理或对衬底进行偏压处理也可以有效增强成核。用超微金刚石粉对衬底进行涂覆处理也可以有效增强成核。[1]-[4]但是偏压处理在许多实验室需要改造设备，对真空腔的结构改变而造成腔内微波场分布的改变从而让对等离子球的控制变的困难。机械打磨会造成金刚石薄膜的厚度与一致性上的差异。并且打磨会破坏精细的微工艺设备和模具。利用电镀的方法处理基片简便易行，在不用损伤模具的情况下能很好将金刚石微粉颗粒粘附在基片上。[5]-[10]

金刚石薄膜由于其独特的尺寸和界面特性，在高新技术和电子工业有着很重要的应用前景。由于其负电子亲和势和量子效应的影响，具有很强的场发射电流。可用于制作高效的场发射冷阴极电子器件。[10]-[12]

本文报道在爆炸法得到的超微金刚石微粉末电镀到金属铜片上，将所得到的样品进行微波等离子体化学气相沉积。制得的金刚石薄膜用SEM进行结构分析。对这种含有金刚石薄膜的样品进行场发射特性测试。

1 实验

金刚石薄膜的制备

金刚石薄膜的制备设备采用如图1所试的MPCVD设备。配置金刚石微粉悬浊液，使用50ml无水乙醇，1ml的丙酮，1ml去离子水，2mg碘与5mg的纳米金刚石微粉末混合，经过15min超声震荡得到电镀溶液。将铜片经稀盐酸浸泡去掉表面氧化层后，再经过乙醇与丙酮混合溶液的清洗晾干，作为电镀的阴极。采用如图2所示的电镀装置进行电镀。10min后将铜片取出自然晾干后进行MPCVD处理，沉积金刚石薄膜。反应气体为和微波功率为1500w. 

薄膜的生长分为成核和生长两个阶段。下面给出实验中具体参数。

反应最后阶段对样品进行退火处理。逐步缓慢降低微波功率，使得样品的温度逐渐降低。能有效消除铜片衬底与薄膜之间的硬力影响。从而提高薄膜与衬底间的粘合度。 

2结构与实验分析

下面给出实验样品的SEM图片 

 

在电场的作用下。丙酮与碘的作用下会生成少量的带正电的氢离子[7]，

方程式如下：

而电镀溶液中的金刚石纳米微粉末颗粒会吸附少量的氢离子而带上正电荷，在恒定的外加电场的作用下会向阴极移动而吸附在阴极衬底的表面。这些颗粒成为微波等离子体化学气象沉积金刚石薄膜的籽晶[6][7]。这大大有利用于在化学气象沉积过程中金刚石的生长。在等离子体的作用下，甲烷与氢气分解成大量的原子氢与原子基团。而原子氢对结构为键碳原子的具有强烈的刻蚀作用，C原子基团会逐渐缓慢向键转化，从而到达了金刚石颗粒的生长，生成金刚石薄膜。在反应的最后阶段，因为衬底是金属铜片，为了消除其与金刚石薄膜之间的硬力影响，采用逐渐降低微波功率的办法，对基片进行缓慢降温的“退火”处理来加强薄膜与基片本身的结合程度。 2C2sp3sp

3金刚石薄膜的场发射特性测试

金刚石薄膜场发射特性的测试装置。场发射测试装置如图片所示，金刚石薄膜样品作为阴极。阳极探针接收发射的电子。测试时候的真空度小于1*10-3帕。

 

结论：

采用电镀的方法能快速使得铜基底上粘附大量的金刚石微粉颗粒，而不会造成对基片的机械损害。在此基础上进行MPCVD能迅速生成金刚石薄膜。反应的最后阶段的退火处理，能有效的降低铜片与金刚石薄膜的硬力影响，从而有效的加大金刚石薄膜与基片本身的结合程度。通过本文所的方法制得到的金刚石薄膜也得到较好的场发射特性。也使得对基片的预处理变的简单有效。

本文研究工作得到了教育部博士点基金项目（No.20020614008）资助，在此表示感谢。