金剛石薄膜的生長原理

金剛石薄膜的生長原理

生長單晶金剛石薄膜所用氣源主要有氫氣 (H2) 、甲烷(CH4) 、氮氣(N2) 和氧氣(O2)，在微波的激勵作用下，反應腔體中形成等離子體。反應氣體在腔體內(nèi)裂解成H、O、N原子或CH2、CH3、C2H2、OH等一系列活性基團。含碳活性基團(CH2、CH3、C2H2)將在金剛石薄膜表層形成氣固混合界面，在動態(tài)平衡模型或非平衡熱力學下實現(xiàn)金剛石(sp3)、非晶碳或石墨(sp2)的生長。由于氫等離子體刻蝕非晶碳或石墨( sp2) 的速度比刻蝕金剛石(sp3)快得多，因此CVD金剛石薄膜表層的非金剛石相被快速刻蝕，從而實現(xiàn)金剛石生長。具體可以由以下幾個過程實現(xiàn)：

A→B 過程: 在微波等離子體的作用下，金剛石表層的C-H鍵斷開，其中脫離的H原子和等離子體中的H原子結合并形成H2，金剛石表層則將形成碳的懸掛鍵和多余的電子。

B→C 過程: 等離子體中的一個甲基(CH3) 和金剛石表層多余的電子形成共價鍵。

C→D 過程: 金剛石表層的甲基失去一個H原子，從而裸漏出電子。

D→E 過程: 金剛石表層的碳環(huán)打開，形成一個多余的電子和一個C = C鍵。

E→F 過程: 金剛石表層的C = C鍵轉(zhuǎn)變?yōu)镃-C和多余的電子，并和金剛石表層多余的電子形成新的C-C鍵，從而將碳源合并到金剛石表層。

F→G 過程: 等離子體中H原子和金剛石表層多余的電子相結合。

通過 A→G 多次循環(huán)就實現(xiàn)了單晶金剛石薄膜的生長。