用化学气相沉积法制备的金刚石薄膜是在国际上受到广泛研究与重视的高技术新材料。

1.金刚石薄膜的特性及应用

金刚石是自然界中硬度最高的材料，同时又具有极高的弹性模量。金刚石的热导率是所有已知物质中最高的，室温（300K）下金刚石的热导率是铜的5倍，在液氮温度（77K）下金刚石的热导率是铜的25倍。

金刚石具有极好的抗腐蚀性，抗酸、碱和各种腐蚀性气体的侵蚀，而且也是一种重要的半导体材料。

研究证实，用化学气相沉积（CVD）法制备的金刚石薄膜，其力学、热学、光学等物理性质已达到或接近天然金刚石。

金刚石薄膜通常分为两种，由众多金刚石晶粒组成但在晶粒间界上存在一些非金刚石相的称为多晶金刚石薄膜，全部由纯金刚石相组成的称单晶金刚石薄膜。

金刚石薄膜因其优异的物理性质和相对低的制备成本，并且能够被致密地沉积在相当大面积的衬底上，既是一种新颖的结构材料，又是一种重要的功能材料，在许多领域里有重要的应用。

在超硬、耐磨、抗蚀涂层方面，由于金刚石薄膜具有几乎与天然金刚石相同的硬度，因而用作工具和工件的涂层，大大增长了它们的使用寿命，尤其是形状复杂的工具与工件，更是金刚石薄膜涂覆的最有应用潜力的领域。已用金刚石薄膜制成手术刀，刀刃厚度为微米级，因而远比一般外科手术刀锋利，应用于显微外科手术，能显著地减轻损伤，而且照明光可透过金刚石薄膜刀刃到手术区域。

金刚石薄膜兼备高热导率和高电阻率，是少有的高水平绝缘散热材料，即热沉材料，可应用于超高速集成电路、超大规模集成电路、功率电子器件（如微波功率晶体管）和功率光电子器件（如激光二极管）的芯片散热。对于相同的器件构造，因采用金刚石热沉而提高了散热性能，可使微波功率管和激光二极管的输出功率显著地增大。

金刚石薄膜作为一种光学材料，可用于各种光学元件的镀层和X射线探测器的超薄窗口。该超薄窗口仅0.5μm厚，气密性极好，其强度高于铍窗口，并可允许进行硼、碳、氮、氧等轻元素的分析。制备这种窗口的工艺技术正在延伸到X射线光刻的掩模、同步加速器窗口和高功率激光器窗口的制作。与此同时，在制备诸如硅、锗和硫化锌、硒化锌等红外材料的光学镀层和高功率光学元件的涂层方面，金刚石薄膜也有着重要的应用。(www.daowen.com)

金刚石薄膜有较小的密度和极高的弹性模量，声波在其中的传播具有很高的速度。应用金刚石薄膜包敷的振动膜片，在（9～10）×104Hz高频下仍具有较好的响应特性，其谐振分量是决定音色的重要因素之一。因而，用金刚石薄膜包敷的扬声器，具有高保真度。

应用在金刚石衬底上同质外延或在非金刚石衬底上异质外延半导体单晶金刚石薄膜，以及应用半导体多晶金刚石薄膜，制作可在高温、高频工作的大功率器件，包括P—N结二极管、金属—半导体肖特二极管和金属—绝缘层一半导体场效应晶体管（MISFET）、金属—半导体场效应晶体管（MESFET），是金刚石薄膜的一个特别重要的应用领域，现正为此努力，期望实现与电真空器件（如行波管、磁控管和速调管等）可比的功率输出和频率极限，而体积小得多。此外金刚石薄膜发光器件和利用金刚石薄膜的力学、热学和光学等物理性质制作的各种敏感器件和换能器件，也具有重要的应用前景。

2.金刚石薄膜的制备

（1）热丝CVD法（Hot Filament CVD）　该方法的典型情况是把甲烷与氢气混合的反应源气输送到被加热的反应室内，用于沉积的衬底置于石英座上。在衬底的上方平行地置有一根或多根通电加热到2000℃高温的钨丝。甲烷输运到热钨丝附近被分解，在温度适当控制的衬底表面上沉积金刚石薄膜，沉积速率约为1μm/h。热钨丝的作用，一方面导致了甲烷的分解，另一方面也加热了衬底。甲烷分解产生了原子氢，正是原子氢的作用除却了薄膜中的石墨相。

（2）微波等离子体CVD法（Microwave Plasma CVD）　该方法的典型情况是以一定直径的石英管为反应室，甲烷与氢气混合的反应源气由反应室的顶部输入，用于沉积的衬底置于衬底座上，频率为2.45109Hz的微波在反应室的中部由波导馈入，形成辉光放电区，在衬底上沉积金刚石薄膜。微波等离子体CVD法的特点是用微波功率馈入激励辉光放电，能够在很宽的气压范围内产生稳定的等离子体，其内的电子密度高、激活的原子氢的浓度大，因而所沉积的金刚石薄膜质量好。

（3）直流等离子体CVD法（D.C.Plasma CVD）　直流等离子体CVD包括介于辉光与弧光之间的过渡区放电等离子体CVD和弧光放电等离子体CVD，均属热等离子体（Thermop—lasma）化学气相沉积方法，其放电电极的配置和反应源气的输入，可采取不同的布局，典型情况用甲烷与氢气的混合气体为反应源气，反应气压在1.3～26.6kPa范围内。研究证实热等离子体中气体温度达4000K以上，足以充分分解反应源气，并形成处于激发态的碳氢基团和原子氢的高密度区。适当地选择工艺条件，能够使活性的碳氢基团和原子氢在其复合前的生存时间内高速地输运到达衬底表面。通水冷却的衬底座使衬底表面温度处于适合金刚石形成的温度范围800～1000℃。一般认为，热等离子体流在衬底表面骤然冷却（即所谓“淬火”）所产生的非平衡组分等离子体是在相对低的温度下获得高密度活性基团的最有效途径。用直流等离子体CVD法制备金刚石薄膜的沉积速率甚高，可达20～250μm/h，并具有良好的质量。

直流等离子体喷射（D.C.Plasma Jet）是一种放电区内隐的直流等离子体CVD方法。典型情况是喷头由柱状的阳极和其下部收缩为一喷口的环状阴极构成，两者在喷嘴内阳极端处构成弧光放电或近弧光放电，甲烷和氢气混合的反应气体的输入截面设计为数倍甚至数十倍于喷嘴的截面，因而反应气体穿越放电区形成的热等离子体以极高的流速自喷嘴射出，在衬底表面上制备的金刚石薄膜的沉积速率可高达930μm/h，适用于制作毫米级厚度的热沉片。

（4）燃烧火焰CVD法（Combustion Flame CVD）　该方法的典型情况是用乙炔和氧气的混合气体为反应源气，在大气压下其燃烧火焰的内焰覆盖区内置有表面温度控制在700～900℃的衬底片，在氧气与乙炔的比例为0.70～0.98时，衬底上沉积高质量的金刚石薄膜，沉积速率可达100～170μm/h。研究证实，在氧气与乙炔的比例为0.85～0.98时，所沉积的金刚石薄膜是光学透明的。

金刚石薄膜沉积机理的研究，是等离子体物理与等离子体化学的一个重要应用领域。对于不同的等离子体CVD方法和分别用碳氢化合物、含氧组分的有机化合物或碳的卤化物与氢气等混合的不同反应气体，薄膜沉积过程中等离子体内不同的物理、化学反应，不仅影响着金刚石薄膜沉积，而且直接决定它的质量。为此，发展了应用热探针、电探针和光学探针等手段的等离子体诊断和光学发射谱以及金刚石成核与晶粒生长模型的研究。在金刚石薄膜沉积中等离子体的原位（In Situ）光学发射谱（Optical Emission Spectra）是研究金刚石薄膜化学气相沉积机理的一种重要方法。等离子体内各种反应物都有其特征发射光谱，用适当的手段将等离子体内某部位的发光信号引出，用光谱仪器分光并加以检测，则可由光谱来判断等离子体内该部位的反应物的种类、浓度及其激发状态等信息，从而为研究反应机理和优化薄膜制备的工艺条件提供依据。