衬底类型对生长多晶金刚石膜应力和结晶度影响研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0019

摘要/Abstract

摘要： 不同衬底材料会影响多晶金刚石的结晶度和应力。本文采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）设备，研究三种不同衬底（W、Si和Mo）对沉积多晶金刚石膜应力和结晶度的影响。首先，为降低边缘效应，通过数值模拟、OES光谱分析方式优化并验证了沉积金刚石膜的最佳基台高度是16 mm。在相同工艺条件下生长多晶金刚石薄膜，利用拉曼光谱、SEM比较三种衬底沉积金刚石的结晶度和质量，三种衬底生长的金刚石晶面取向主要是（111），其中W衬底沉积的金刚石薄膜结晶度均匀性较高。XRD应力分析研究结果表明，W衬底沉积的多晶金刚石薄膜中心到边缘的应力分布较均匀且应力最小。最后，本团队利用W衬底沉积了直径为50.8 mm、沉积时间200 h、厚度0.6 mm、杂质缺陷少、无裂纹的多晶金刚石薄膜，并且中心至边缘的半峰全宽（FWHM）是8.156~8.715 cm^-1。TEM表征结果显示，d_（111）晶面间距是0.206 nm。表明W衬底较其他两种衬底更适合沉积多晶金刚石，制备用于光学、热学和电子等方面的多晶金刚石薄膜。本研究对沉积大尺寸、低应力、高结晶度多晶金刚石膜和应用于核聚变托卡马克装置的微波窗口提供了有效的参考。

关键词: 微波等离子体; 多晶金刚石薄膜; 衬底; 化学气相沉积; 结晶度; 应力

Abstract: Various substrate materials exert distinct influences on the crystallinity and stress of polycrystalline diamond films. This study investigates the impact of three substrates （W， Si， and Mo） on the stress and crystallinity of polycrystalline diamond films synthesized using microwave plasma chemical vapor deposition （MPCVD）. Initially， to mitigate edge effects， numerical simulations and optical emission spectroscopy （OES） were employed to optimize and validate that the optimal base height for diamond film deposition is 16 mm. Growing polycrystalline diamond films under the same process conditions， the crystallinity and quality of diamond films deposited on these three substrates were evaluated via Raman spectroscopy and scanning electron microscopy （SEM）. It is found that all diamond films exhibit a （111） orientation， with the W substrate yielding superior crystallinity uniformity. X-ray diffraction （XRD） stress analysis reveals that the polycrystalline diamond film deposited on the W substrate demonstrated uniform stress distribution from center to edge， with minimal stress levels. Consequently， a polycrystalline diamond film with a diameter of 50.8 mm， thickness of 0.6 mm， and deposition time of 200 h is successfully deposited on the W substrate， featuring few impurity defects， no cracks， and a full width at half maximum（FWHM） ranging from 8.156 cm^-1 to 8.715 cm^-1 from center to edge. Transmission electron microscopy （TEM） detected a d-spacing of 0.206 nm for the （111） crystal planes. These findings indicate that the W substrate is more suitable for depositing polycrystalline diamond films intended for optical， thermal， and electronic applications compared to Si and Mo substrates. This research provides valuable insights for the deposition of large-size， low-stress， high-crystallinity polycrystalline diamond films and the application of microwave windows in nuclear fusion tokamak devices.

Key words: microwave plasma; polycrystalline diamond film; substrate; chemical vapor deposition; crystallinity; stress

中图分类号:

O484

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图/表 14

图1 钼支架结构和散热槽结构

Fig.1 Mo support structure and the heat sink structure are described as follows

图2 样品、钼衬底支架、散热槽和基台的相对位置关系示意图

Fig.2 Schematic diagram of the relative position of sample， molybdenum substrate support， heat sink and abutment

表1 沉积金刚石形核和生长参数

Table 1 Nucleation and growth parameters of deposited diamond films

Parameter	Power/W	Pressure/kPa	Gas flow： H₂/CH₄	Time/h	Substrate temperature/℃
Nucleation	4 100	20.5	400 sccm/15 sccm	1	910±20
Growth	4 100	21	400 sccm/12 sccm	50	910±20

图3 16 mm基台高度下的电子密度分布图（a）和电子密度在衬底表面中心到边缘变化的模拟结果（b）

Fig.3 Electron density distribution at a height of 16 mm （a） and simulation results showing the variation in electron density from the center to the edge of the substrate surface （b） are presented

图4 12、14和16 mm 基台高度下所对应的光发射光谱（a）和16 mm对应等离子体球的形状（b）

Fig.4 Light emission spectra associated with abutment heights of 12， 14 and 16 mm （a）， as well as the morphology of the plasma sphere at 16 mm （b）

图5 直径50.8 mm W衬底上沉积的金刚石薄膜从中心到边缘每隔5 mm选取6个点的拉曼光谱（a）和选取定点的SEM照片（b）~（g）

Fig.5 For the diamond film deposited on a ϕ50.8 mm W substrate， Raman spectra were acquired at six points spaced 5 mm apart along a radial line from center to edge （a）， and SEM images were captured at selected locations （b）~（g）

图6 直径50.8 mm Si衬底上沉积的金刚石薄膜从中心到边缘每隔5 mm选取6个点的拉曼光谱（a）和选取定点的SEM照片（b）~（g）

Fig.6 For the diamond film deposited on a ϕ50.8 mm Si substrate， Raman spectra were acquired at six points spaced 5 mm apart along a radial line from center to edge （a）， and SEM images were captured at selected locations （b）~（g）

图7 直径50.8 mm Mo衬底上沉积的金刚石薄膜从中心到边缘每隔5 mm选取6个点的拉曼光谱（a）和选取定点的SEM照片（b）~（g）

Fig.7 For the diamond film deposited on a ϕ50.8 mm Mo substrate， Raman spectra were acquired at six points spaced 5 mm apart along a radial line from center to edge （a）， and SEM images were captured at selected locations （b）~（g）

图8 W、Si和Mo衬底沉积金刚石1 331 cm-1峰高变化图

Fig.8 Variation diagram of the 1 331 cm-1 peak height of diamond deposited on W， Si and Mo substrates

图9 W、Si和Mo衬底生长金刚石选取中心到边缘6个检测点所对应的FWHM对比图

Fig.9 FWHM comparison chart of diamond corresponding to six detection points from the center to the edge deposited on W， Si， and Mo substrates

表 2 衬底、碳化物和金刚石的物理性质

Table 2 Physical properties of substrates， carbides and diamonds

Material	Lattice constant/Å	Elasticity modulus/GPa	Thermal expansion coefficient/（10^-6 K^-1）	Melting temperature/K
Si^［33］	5.431	130	2.5	1 683
W	3.165	411	4.5	3 600
Mo	3.147	327	5.8	2 888
Diamond	3.567	1 050	1.2	3 773
MoC	4.14	392	4.9	2 965
WC	2.81	710	3.8	3 143
SiC	3.1	450	4.4	3 027

图10 W、Si和Mo衬底沉积金刚石晶面间距和衍射角sin2ψ关系图

Fig.10 Relationship diagram of diamond crystal face spacing and diffraction angle sin2ψ deposited on W， Si and Mo substrates

图11 沉积金刚石XRD图谱

Fig.11 XRD patterns of deposited diamond

图14 W衬底沉积金刚石膜的TEM横截面照片（a）、傅里叶变换（FFT）衍射图（b），以及从选定区域获得的反FFT图像（c）

Fig.14 TEM cross-sectional image （a）， Fourier transform （FFT） diffraction pattern （b）， and inverse FFT image （c） obtained from a selected region of the diamond film deposited on a W substrate

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