负偏压增强金刚石膜与衬底结合强度的理论研究

由于金刚石与Si有较大的晶格失配度和表面能差，利用化学气相沉积（CVD）制备金刚石膜时，金刚石在镜面光滑的Si表面上成核率非常低。而负衬底偏压能够提高金刚石在镜面光滑的Si表面上的成核率，表明金刚石核与Si表面的结合力也得到增强。利用负偏压增强CVD系统制备金刚石膜时，气体辉光放电产生的离子对Si表面轰击，使得Si衬底表面产生了微缺陷（凹坑），增大了金刚石膜与Si衬底的结合面积。本工作主要从理论上研究离子轰击对金刚石膜与Si衬底结合力的影响。
关键词：金刚石膜；硅衬底；结合力

金刚石具有优异的物理性能和化学性能，如高硬度、高热导率、大禁带宽度，光从红外到紫外具有高的透过率和化学惰性等，决定了它在机械、热学、微电子学等领域是一种应用非常广泛的材料。目前，利用各种化学气相沉积已经很容易制备金刚石膜。但是，金刚石膜与衬底之间的结合强度对金刚石膜的应用是一关键问题。若金刚石膜与衬底的结合强度比较低，将会导致金刚石膜在应用过程中从衬底表面上的剥离。由于金刚石与衬底之间的表面能差和晶格失配差较大，金刚石在镜面光滑的Si衬底表面上成核密度较低。为提高金刚石的成核密度，需对衬底进行预处理，如金刚石微粉研磨,沉积金属过渡层等[1,2]。1991年，日本学者Yugo等[3]在利用微波等离子体化学气相沉积制备金刚石膜时，发现给衬底加上负偏压后，能够大大地提高金刚石在镜面光滑的Si衬底上的成核密度，为金刚石膜的制备研究开辟了新的途径。从此之后，许多学者对负衬底偏压增强金刚石的成核机制进行了大量的研究[4~9]。他们的研究结果也表明了
负衬底偏压能够增强金刚石膜与衬底的粘附力，如图1所示[9]，为增强金刚石膜与衬底的结合强度提供了新的方法。本工作中，分析了有关负偏压增强金刚石核化和金刚石与衬底之间粘附力的文献[3,9]。文献结果表明在负衬底偏压作用下，气体产生辉光放电，并产生大量的活性离子。活性离子在辉光放电形成的强电场作用下对衬底表面强烈的轰击，导致衬底表面形成凹坑微缺陷，并且这些微缺陷都是纳米级的[10]。从这一实验结果开始，结合等离子体理论和界面理论，理论研究了负偏压增强金刚石核化和金刚石与衬底之间的结合强度，并给出了结合强度与负偏压的函数关系。我们认为凹坑微缺陷的产生增大了金刚石膜与衬底的接触面积，增强了金刚石核化和金刚石与衬底之间的结合强度。同时，纳米级的凹坑由于其较高的表面能，减小了金刚石与衬底之间的表面能差，增大了金刚石成核的几率，也是增强金刚石核化和金刚石与衬底之间结合强度的一个重要因素。