金剛石沉積 HFCVD技術(shù)

2021年9月16日 Bronkhorst

金剛石具有耐磨性，因此金剛石涂層通常用于改善切割工具和耐磨損部件的性能。為了獲得合適基材上的金剛石涂層，必須將適量對(duì)的氣體涂層混合并加熱使其發(fā)生反應(yīng)。

激發(fā)氣相的方法有微波等離子體、火焰噴射或激光。本樣冊(cè)說明將涉及熱絲氣相沉積技術(shù)（HFCVD）。通常在該方法中，含碳?xì)怏w如甲烷在氫氣中的稀釋混合物在亞大氣壓下通過熱絲熱活化。氣體混合物和流量必須謹(jǐn)慎控制；因此，使用高性能熱式質(zhì)量流量控制器勢(shì)在必行。

應(yīng)用要求

重要的是所用的質(zhì)量流量控制器可以確保合適的氣體總量和工藝的重復(fù)性；否則，所獲薄膜的均勻性和整體質(zhì)量將大打折扣。儀表必須非常可靠并具有模擬或數(shù)字通信，因?yàn)榱鞒讨袣怏w的可燃性和爆炸性涉及到安全問題，必須進(jìn)行嚴(yán)密的控制和監(jiān)測(cè)。

重要議題

優(yōu)化的重復(fù)性
高精度
快速響應(yīng)
高穩(wěn)定性

工藝方案

用于金剛石薄膜生產(chǎn)的通用的方法之一是熱絲氣相沉積技術(shù)(HFCVD) ，其中氣體混合物沿著加熱到2400oC的長長細(xì)細(xì)的W或Ta線（?100 到 300 μm) 通過而被加熱。

(HFCVD) 通常僅需兩種氣體：H2和CH4，甲烷在氫氣中以1 vol% 至 2 vol%稀釋。HFCVD反應(yīng)器內(nèi)的總壓力通常在20 mbar 至 200 mbar之間變化，總流量取決于反應(yīng)器的尺寸和幾何形狀。

(HFCVD) 與微晶金剛石薄膜(MCD)相反，金剛石涂層類型被稱為納米晶金剛石(NCD)。NCD的特征在于納米微晶尺寸(1 nm 到 50 nm)和極其光滑的表面，其保留了MCD的硬度并相對(duì)于MCD具有改善的耐磨損和耐摩擦性能。這些涂層通常需要添加第三惰性氣體，通過在生產(chǎn)期間改變腔室內(nèi)氣體的熱負(fù)荷來增強(qiáng)再成核過程而有助于NCD的形成，也影響基板加熱。該系統(tǒng)比MCD系統(tǒng)更加復(fù)雜，在進(jìn)料氣體的控制和監(jiān)測(cè)中需要倍加注意。

(HFCVD) 這類反應(yīng)器的進(jìn)一步修改包括在形成期間用硼(MCD和NCD)摻雜金剛石涂層以使其導(dǎo)電。通常用到含硼(B)物質(zhì)的液體并且通過載氣鼓泡將硼蒸汽帶到熱絲和金剛石涂層中。通過選擇合適的硼濃度并調(diào)節(jié)通過的氣體來調(diào)節(jié)摻雜水平。在進(jìn)行NCD時(shí)，因?yàn)樯婕叭N氣體，任務(wù)變得越發(fā)困難。熱式質(zhì)量流量控制器（例如EL-FLOW Select, LOW-dP-FLOW 或 INFLOW系列)在此類應(yīng)用或任何其它涉及氣相生成金剛石的CVD工藝中扮演著不可或缺的角色。