含氟体系金刚石簿膜生长热力学研究.pdfVIP

—噩查墨全璺旦堡蔓基茎查全垫逢圭墨 !! 含氟体系金刚石薄膜生长的热力学研究 刘志杰张卫张剑云万永中王季陶 (复旦大学电子工程系CVD研究室，上海200433) 摘戛根据非平衡热力学耦舍模型计算了碳氢氟体系低压金刚石生长的非平衡定态相 图．与大量实验事实比较相符合。通过相图讨论了系统压力对低压金刚石薄膜生长条件的 影响，可以为实验研究提供理论指导。还讨论了氟原子在金剐石薄膜淀积过程中的作用。 引言 低压气相生长金刚石薄膜是国际上广泛研究的课题，自C-H体系低压气相生长金刚 石成功以来．人们试图采用一些新的原料气体提高薄膜的淀积速率和降低淀积温度。近来 人们发现少跫氟原子的存在，可提高金刚石薄膜的淀积速率和降低淀积温殿f，因此成为 金刚石制备领域一个新的分支而被广泛重视。本文根据作者提出的非平衡热力学耦合模型 ㈣计算丁碳氢氟体系低压金刚石生长相囤，与文献中报道的实验结果相符舍。本文还根据 该模型讨论丁氟原子在金刚石薄膜淀积过程中的作用。本文结果为碳氢氟体系金刚石薄膜 淀积的实验研究提供了优化实验条件的依据。 l非平衡热力学耦合模型的要点和相图计算 根据我们的模型在碳氢氟体系制备金刚石薄膜过程中，氟原子和氢原子为体系的激 活粒子．可写出下面的方程式： (1) 方程式的左方称为碳氢氟体系激恬石墨项。取耦合系数x为028，用自由能最小化的热力学 计算程序就可以计算出低压金剐石生长的非平衡定态相图。 2计算结果与讨论 2．1金刚石生长的计算投影相图与实验事实的比较 哆Rud断同．Kad01)o 的实验点，其中实心三角形代表金刚石生长的实验点．实心圆点代表非金刚石碳生长的实 验点．从图l中可以看出，在实验误差的允许范围内，理论计算得到的金刚石生长区与实 验结果是一致的。在外界能量的输入下，石墨的能量状态被抬高成为亚稳相，而金刑石的 能量状态相对降低成为体系中的稳定相。因此，计算得到的相图中有金刚石生长区存在； §! 一一． 一一釜盎壁垒堕旦生翌堕生苤金丛鲎茎塞 2．2体系压力对低压金刚石薄膜淀积条件的影响 图2计算丁不同压力下金刚石生长相图，压力分别是1．10和10。ldPa。从图中可以看 出，压力的增大，金刚石生长区向碳高浓度方向移动。我们认为这是因为系统压力的增大 导致气相中碳原子的浓度增大，因而在图上表现为金刚石生长区向碳高浓度方向偏移。 譬 、 ￡ = ； 毫 厶 皇 = ∞ ； 皇 皂 历 )I、o三二墨。盘量=u-是葛口o∞ 图1金剐石生长理论计算相图与实验结果的比较图2．体系压力对金刚石生长条件的影响 23氟原子在al，D低压金刚石剖备过程中的作用 虽然人们对金刚石生长机理还不是十分清楚，但根据实验研究和非平衡热力学耦合 理论模型．我们认为氟原子在低压金刚石薄膜淀积过程中的作用主要有以下几个方面： (1)吸附在金刚石表面，饱碳原子的悬挂键以保持金刚石妒结构 金刚石表面的悬挂键通常吸附一定量的氢原子来饱和来维持矿结构以稳定表面碳原 子的能量状态。h瑚l等人认坩鼍氟原子可以象氢原子～样饱和金刚石表面的悬挂键，维 完全脱附：碳氢氟体系中氢原子和氟原子的吸附用反应方程式可以表示为： Cd·+H·叶CdH 口) Cd·+F．叶CdF 0) Q代表金刚石生长表面的碳原子。 (2)在较底的衬底温度下参与生成促使金刚石连续生长的活性基团。 通常认为，低压金刚石制备过程中的活性基团主要是o{3．和岛岛。碳氢体系中，O13