摘要

丁二烯、氫和氬的三元混合物在平行板等離子體反應(yīng)器中沉積了類金剛石碳膜。這些薄膜的蝕刻量為02，cf4/02等離子體放電。推導(dǎo)出了沉積氣體混合物的組成與根據(jù)蝕刻和沉積速率定義的無(wú)量綱數(shù)(EN)與沉積過(guò)程中的偏置電壓之間的一種新的線性關(guān)系。EN是沉積過(guò)程中離子通量的函數(shù)。考慮了離子沖擊電離過(guò)程與饋電氣體組成和電離勢(shì)的關(guān)系。蝕刻和沉積速率數(shù)據(jù)很好地遵循這種線性關(guān)系。這種線性關(guān)系中的cf4/02的蝕刻數(shù)據(jù)的比例常數(shù)隨組成而變化。本文還描述了硅和玻璃基板上的薄膜硬度和失效模式。

介紹

碳膜以石墨、金剛石、類金剛石碳(DLC)、類金剛石烴和非晶形碳的形式沉積。金剛石和石墨是碳的晶體等構(gòu)體。金剛石的各向同性、四面體配位結(jié)構(gòu)和石墨的層狀、二維結(jié)構(gòu)代表了碳的兩個(gè)極端結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)碳是碳的另一種同種異型，其結(jié)構(gòu)是各向同性的。非晶態(tài)碳的鍵合微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，并推測(cè)了十多年。微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)仍然是懸而未決的問(wèn)題。等離子體沉積的非晶態(tài)的碳膜可能含有大量的氫，在這方面，類似于非晶態(tài)的氫化硅膜。然而，與硅不同的是，碳很容易形成雙鍵和三重鍵。因此，碳可能的鍵結(jié)構(gòu)比硅復(fù)雜得多。

本文研究了這方面的關(guān)系。 在射頻平行板等離子體反應(yīng)器中，由丁二烯、氫氣和筑氣的混合物沉積碳膜通過(guò)考慮隨Vb的變化和沉積過(guò)程中的原料氣組成，使刻蝕行為與沉積環(huán)境相關(guān)。一個(gè)新的非維數(shù)為所有發(fā)明的碳膜提供了一個(gè)很好的廣義相關(guān)性。

實(shí)驗(yàn)方法

蝕刻室由類似大小的電極（直徑0.28米）組成，與冷卻劑混合物在其中循環(huán)，以保持25°C的恒溫。待蝕刻的基底被放置在較低的動(dòng)力電極上。上電極和腔室壁都是接地的。該室與沉積室共用射頻發(fā)生器、真空管道和氣體供應(yīng)系統(tǒng)。丁二烯的三元混合物（純度為99.99%）或甲烷（99.999%純）、氬（99.999%純）和氫（99.99%純）用作反應(yīng)物氣體沉積。氣體從兩個(gè)腔室中以噴頭結(jié)構(gòu)的穿孔電極徑向向外流動(dòng)。這種流動(dòng)結(jié)構(gòu)不同于氮化鋁沉積研究中使用的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。沉積實(shí)驗(yàn)是通過(guò)保持總流量和壓力固定在6.67xm3/s(100std下進(jìn)行的。，分別為7.2Pa(55mtorr)。選擇用于DLC沉積的21種原料氣組成如圖圖所示（圖1）。原料氣成分和等離子體功率對(duì)等離子體的穩(wěn)定性影響較大。添加氬氣穩(wěn)定在任何給定的等離子體功率水平。所有薄膜均以250W的射頻功率沉積，其中等離子體在所有原料氣體成分上都是穩(wěn)定的。

結(jié)果

成長(zhǎng)環(huán)境：壓力、襯底偏置電壓、放電中物質(zhì)的性質(zhì)和濃度是決定離子能量分布和薄膜性質(zhì)的重要變量(Angusetal.，1986)。在一個(gè)固定的壓力下，平均離子能量將隨偏置電壓Vb的增加而增加，這取決于供給氣體的成分和功率水平。離子能量分布可以以不同的方式變化，這取決于偏置電壓的變化。

薄膜硬度和開(kāi)裂：薄膜對(duì)硅的粘附性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于發(fā)熱玻璃。 對(duì)于在硅上厚度大于約3um,在玻璃上厚度大于約1um的膜，觀察到膜破裂和剝離。失敗其機(jī)制是底物特異性的，如圖7、8和9所示，在純丁二烯中生長(zhǎng)的薄膜。在玻璃上觀察到薄膜的屈曲，起源于基底的邊緣，并以繞組路徑傳播到中心（圖7）。相比之下，在硅上沒(méi)有觀察到屈曲。然而，對(duì)厚度小于總薄膜厚度的碳薄片進(jìn)行了分層（圖8)。

氧等離子體蝕刻:不同原料氣成分沉積的所有薄膜的純氧等離子體蝕刻率數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1），這是原料氣中不同氬濃度下氫的摩爾分?jǐn)?shù)的函數(shù)。如前所述，薄膜的氧流速為6.67X10-7m3/s(100std .cm3。在13.3Pa(100mtorr)和恒定偏置電壓230V的壓力下，將基板放置在動(dòng)力電極上。對(duì)于沉積進(jìn)料混合物中的固定的氬氣濃度，可以注意到蝕刻速率和V之間的負(fù)比例。每條曲線的蝕刻速率都達(dá)到了一個(gè)最小值，與V中的最大值大致相同（見(jiàn)圖3）。

CF4/O2等離子體蝕刻:在圖1中由A、B和C表示的條件下沉積的薄膜來(lái)測(cè)量CF4/02等離子體中的蝕刻率。氣體混合物中四氟化碳的百分比從0%到100%不等。 結(jié)果如圖11所示。與預(yù)期的一樣，這三種薄膜在純四氟化碳中的蝕刻率都可以忽略不計(jì)。在氧蝕刻過(guò)程中形成的碳氧化物比在四氟化碳等離子體中形成的氟碳物質(zhì)具有更高的蒸氣壓。

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結(jié)論

從丁二烯、氬和氫的三元混合物中沉積了金剛石樣碳薄膜。加入氬氣提高了等離子體的穩(wěn)定性。在三種不同組成極端情況下沉積的薄膜的紅外光譜顯示，sp3C-H鍵比sp2C-H鍵更為普遍。薄膜與硅粘附比與玻璃粘附更好，失效機(jī)理是基底特異性的。薄膜的硬度范圍從容易刮到難以刮的碳化硅刻工具。最硬的薄膜沉積在大量的氬氣下，最軟的薄膜沉積在大量的氫氣下。DLC薄膜在氧和CF4/02等離子體中的蝕刻速率是沉積條件的強(qiáng)函數(shù)。每個(gè)沉積分子的能量通量決定了沉積膜中sp3與sp2鍵的比值。將蝕刻速率、沉積速率和偏置電壓組合成一個(gè)非維數(shù)EN。推導(dǎo)了EN與原料氣組成的函數(shù)之間的線性關(guān)系。通過(guò)考慮電子沖擊電離產(chǎn)生離子的問(wèn)題。分別在130W和250W處測(cè)量的蝕刻和沉積速率數(shù)據(jù)與這一關(guān)系一致。

審核編輯：符乾江