MPCVD金刚石膜的品质对其在K-Ka波段微波介电性能的影响

刘艳青，丁明辉，苏静杰, 2，李义峰, 3，唐伟忠



MPCVD金刚石膜的品质对其在K-Ka波段微波介电性能的影响

刘艳青1，丁明辉1，苏静杰1, 2，李义峰1, 3，唐伟忠1

（1. 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083；2.清华大学微电子学研究所，北京 100084；3. 河北省激光研究所，石家庄 050081）

针对MPCVD金刚石膜K-Ka波段（18~40 GHz）微波电子器件领域的应用需求，以及探索金刚石膜介电性能与品质之间的关系的需要，制备了5个金刚石膜样品，并建立了一套K波段分体圆柱谐振腔微波介电性能测试装置。使用Raman光谱表征金刚石膜质量，采用K波段分体圆柱谐振腔测量金刚石膜的介电性能，并与Ka波段的结果进行比较。结果表明，不同品质的样品介电损耗在3.8×10–5~76.8×10–5范围内，且介电损耗与Raman半峰宽密切相关。同时，高品质金刚石膜K波段介电损耗高于Ka波段，而低品质的则呈现相反的结果。这是由于高品质金刚石膜介电损耗主要由导电性引起，而低品质金刚石膜内较高的缺陷密度导致单声子声学振动吸收和瑞利散射较大。

MPCVD金刚石膜；拉曼光谱；品质；分体圆柱谐振腔；介电性能；K-Ka波段

微波等离子化学气相沉积（MPCVD）金刚石膜具有许多优异的物理化学性质，如超高的硬度和热导率，低的介电常数和介电损耗等，使得其在众多领域具有广阔的应用前景，尤其是在高功率微波电子器件领域，使用MPCVD金刚石膜作为窗口材料能显著提高其输出功率强度[1-4]。目前，金刚石膜已经部分替代了热导率较低的氧化铝、氮化铝、氧化铍和氮化硼等材料[5-7]。

金刚石膜的质量对其在高功率真空器件中的应用有巨大的影响[4]，因此在应用前需要对其进行介电性能表征。然而金刚石膜是一种具有超高硬度的低介电损耗材料，介电性能表征需要对其进行双面抛光和激光切割等复杂工艺处理。而Raman光谱是表征金刚石膜质量的一种常用的方法[8-9]，且此种方法无需对样品进行特别处理。因此，研究Raman光谱表征的金刚石膜质量与介电性能，尤其是介电损耗及介电损耗频率依赖性的联系具有重要的意义。

由于MPCVD金刚石膜材料具有品质高和介电损耗低的特点，且国内制备的高品质MPCVD金刚石膜的尺寸也较小，缺少有效测量低介电损耗薄膜电介质介电性能的设备。Janezic等[10]提出了一种分体圆柱式谐振腔（Split-Cylinder Resonator）的介电性能测试方法，适用于薄膜类电介质的介电性能测试。苏静杰等[11]采用此方法，研制了一台空腔谐振频率在35 GHz（Ka波段）的装置，并证明了该装置具有准确测试低介电损耗薄膜类电介质Ka波段（27~40 GHz）介电性能的能力。

为了满足MPCVD金刚石膜材料在K-Ka（18~26.5 GHz）波段应用需求[12-16]，同时为了探索不同品质金刚石膜Raman半峰宽（FWHM）与介电损耗以及介电损耗频率依赖性[17-18]的关系，本文通过改变金刚石膜沉积过程生长参数的方法，制备了5个不同品质的金刚石膜，并对其进行了Raman光谱表征。同时，针对小尺寸(=18.2 mm)金刚石膜，建立了一套K波段微波介电性能测试系统。采用此装置和Ka波段分体圆柱谐振腔对不同品质的MPCVD金刚石膜微波介电性能进行了测试，研究了不同品质金刚石膜Raman半峰宽与介电损耗及介电损耗频率依赖性的关系。

1 实验

1.1 K波段分体圆柱谐振腔微波介电性能测试装置的建立

在K波段分体圆柱谐振腔介电装置建立时，首先需要确定谐振腔腔室的尺寸。图1为分体圆柱谐振腔空腔模式图。图中为腔室直径，为腔室的高度，为谐振频率，为真空中的光速。谐振腔在加载厚度为、直径为的样品时，由于腔室高度变化为（+）和样品介电常数的影响，TE011模式谐振频率会向低频率方向移动，但是其他模式的谐振频率移动较小或者不变。因此为了使分体谐振腔在未放置样品和放置样品情况下，TE011模式谐振频率均不受其他模式的干扰，选择谐振腔的(·–1)2约为0.06，此时空腔谐振频率为25 GHz，直径为14.7 mm，高度为60.0 mm。

图1 分体圆柱谐振腔空腔模式图

图2为K波段分体圆柱谐振腔介电性能测试装置的示意图和实物图。从图2(a)示意图中可以看出腔室由可分离的上下对称的两个半谐振腔组成，而TE011模式的电场强度在中心面最高，因此将测试的薄膜类电介质样品放置于中心平面。另外，从图1可以看出，TE011模式与TM111模式谐振曲线重合。为了消除TM111的影响，在腔室末端与截止端盖相交位置开有一对环状槽。

图2 K波段分体圆柱谐振腔介电测试装置(a)示意图和(b)实物图

为了尽可能减小腔体本身对电磁波的损耗，提高介电测试的准确性，腔体材料选用电导率较高的无氧铜，其表面电导率最高可达5.8×107S/m，同时对腔体内壁抛光处理，粗糙度低于0.8 μm，以提高其相对电导率。

测试时，矢量网络分析仪采用的是安捷伦N5244a，并采用安捷伦N4693电子校准件进行校准。分别将空腔和加载样品时的谐振腔与矢量网络分析仪相连接，即可测量不同频率下微波通过谐振腔时的传输损耗，对微波传输损耗随频率的变化曲线进行拟合和计算，即可得到样品的相对介电常数和微波介电损耗[19]。

1.2 金刚石膜的制备与Raman光谱表征

金刚石膜的制备采用实验室所研制的新型穹顶式[20]和椭球谐振腔式MPCVD装置，采用直径30 mm，（100）取向的单晶硅片作为基底材料。在沉积之前，使用粒径为10 μm的金刚石粉对基片进行研磨，然后用酒精对其进行20 min的超声清洗。沉积过程中，通过改变生长参数包括CH4/H2流量、基片温度等，得到不同品质的金刚石膜。

金刚石膜沉积完成之后，采用酸洗的方法腐蚀掉硅基片后得到自支撑金刚石膜。对自支撑金刚石膜进行双面抛光和激光切割处理，得到直径为18.2 mm的金刚石膜样品。为除去样品表面碳杂质，采用H2SO4、HNO3混合溶液对其进行清洗。

在室温下采用显微共聚焦拉曼光谱仪对金刚石膜进行拉曼光谱分析，设备的型号为Horiba JY HR-800，采用的激光波长为514.53 nm，光斑直径为10 μm。

2 结果与分析

图3为金刚石膜样品照片。通过照片可以看出1#、2#、3#样品均呈现为无色透明状，4#样品呈现灰色透明状，而5#样品则呈现黄色半透明状。由于金刚石膜样品的宏观颜色、透光度与其内部含有的杂质及缺陷密度有关[21]，因而样品外观上的差异表明1#、2#和3#样品具有较高品质，4#样品品质有所降低，而5#样品品质最低。

图3 不同品质金刚石膜样品的照片

图4为不同品质金刚石膜的拉曼光谱图。从图4可以看出，所有样品的拉曼光谱在1332 cm–1均具有尖锐的金刚石特征峰，而没有非金刚石相的特征峰（1500 cm–1）出现，且所有样品拉曼曲线的背底都很低。1#~3#样品的1332 cm–1半峰宽较低，为2.23~2.24 cm–1，4#样品半峰宽增加至3.36 cm–1，5#样品半峰宽最大，为4.71 cm–1。由于拉曼光谱中金刚石特征峰半峰宽的大小与金刚石膜晶粒内部的完整程度有关，较窄的半峰宽，说明金刚石膜内晶格的混乱程度较低，品质较高[8]，因此1#~3#样品品质最高，4#样品品质有所降低，而5#样品具有最低的品质，这与图3金刚石膜宏观照片显示的结果相一致。

图4 金刚石膜的Raman光谱图

采用K波段分体圆柱谐振腔介电测试装置对上述5个金刚石膜的介电性能进行表征，同时与Ka波段分体圆柱谐振腔测试结果进行比较。详细测试结果见表1。在两个频率下的相对介电常数和介电损耗分别用r1，r2，tan1和tan2表示。同时，为了方便进行观察和比较，并将介电性能结果绘制于图5。

表1 不同品质金刚石膜在K波段和Ka波段分体圆柱谐振腔的谐振频率、相对介电常数和介电损耗

Tab.1 Frequency, relative permittivity and delectric loss of diamond films with different qualities at K band and Ka band split-cylinder resonators

因金刚石膜样品厚度不同，其在两台分体圆柱谐振腔腔室中TE011模式谐振频率也不同。其中K波段谐振腔测试金刚石膜的谐振频率在24 GHz左右，随着金刚石膜厚度的变化略有波动。而Ka波段谐振腔测试金刚石膜的谐振频率在30 GHz左右。

图5(a)为金刚石膜在K和Ka波段的相对介电常数。从图中可以看出金刚石膜的相对介电常数在5.56~5.62范围内，与文献报道金刚石相对介电常数5.5~5.8之间相吻合[7, 20, 22]。而对于不同的品质金刚石膜样品，相对介电常数的大小略有波动，这与金刚石膜内部的杂质和缺陷有关[23]。同时可以看出金刚石膜在两个频率段的相对介电常数非常接近，说明相对介电常数在K-Ka波段的频率相关性较小。

图5(b)显示金刚石膜的介电损耗存有较大差异，结果为3.8×10–5~76.8×10–5。其中1#金刚石膜的介电损耗为3.8×10–5，已满足高功率微波电子技术的应用要求[6, 24]。从图5(b)可以看出，随着金刚石膜颜色的变化和透明度的降低，Raman半峰宽的增加，金刚石膜的在K-Ka波段介电损耗也呈现增加趋势。由此可见金刚石膜介电损耗大小与品质的高低密切相关。

图5 不同品质金刚石膜在K和Ka波段的相对介电常数（a）和介电损耗（b）

另外，通过比较金刚石膜在两个频率点介电损耗的大小，可以看出对于品质较高的1#~4#金刚石膜样品，在K波段的介电损耗高于Ka波段，说明随着频率从K波段增加到Ka波段，金刚石膜的介电损耗呈降低趋势。而对于品质较低的5#样品却呈现相反的结果，随着频率从K增加到Ka波段，介电损耗呈现增加趋势。

Garin等[14, 23, 25]对不同制备方法得到的金刚石膜在高频波段（50~200 GHz）介电性能研究表明，MPCVD和直流电弧等离子体喷射（APJ）金刚石膜因具有不同的缺陷密度导致介电损耗具有不同的频率依赖性。结合测试结果，对品质较高的MPCVD金刚石膜，比如1#~4#样品，其包含的缺陷较少，介电损耗主要来源于金刚石膜的导电特性，与频率呈现负相关关系（1/）。而对于品质较差的5#样品，其内部夹杂着高密度的缺陷，而缺陷的增加势必会导致单声子声学振动和瑞利散射[26]增加，该项介电损耗与频率呈现正相关关系。因此，金刚石膜在K和Ka波段介电损耗值的不同与金刚石膜介电损耗的主要来源机制密切相关。

结果表明K波段分体圆柱谐振腔介电性能测试装置具有测试低介电损耗、小尺寸、薄膜类电介质材料介电性能的能力。在此基础上，对金刚石膜在K-Ka波段的介电性能进行表征和分析，为进一步探索介电损耗机制的来源提供了方向。

3 结论

设计并建立了K波段分体谐振腔式低介电损耗薄膜电介质介电性能测试系统，在此基础上对不同品质的MPCVD金刚石膜在K波段的介电性能进行了测试，并与Ka波段的相对介电常数和介电损耗相对进行比较。结果表明，5个不同的品质金刚石膜的Raman FWHM在2.23~4.71 cm–1。金刚石膜的相对介电常数在5.56~5.62范围内，且在两个频率段的数值一致。而介电损耗在3.8×10–5~76.8×10–5范围内，其大小与Raman光谱表征的品质的高低密切相关。且由于介电损耗的来源机制不同，具有不同的频率依赖性。品质较高的金刚石膜的介电损耗主要由导电性导致，呈现频率的负相关性。而对于品质较差的金刚石膜，由于其内部缺陷密度较高，单声子声学振动吸收和瑞利散射导致的介电损耗也较大，导致介电损耗呈现频率的正相关性。

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（编辑：唐斌）

Effect of qualities of MPCVD diamond film on microwave dielectric properties in K-Ka band

LIU Yanqing1, DING Minghui1, SU Jingjie1,2, LI Yifeng1,3, TANG Weizhong1

(1. Institute of Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Institute of Microelectronics, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. Institute of Laser Technology, Academy of Sciences of Hebei Province, Shijiazhuang 050081, China)

A K band split-cylinder resonator device was developed to measure dielectric properties of diamond films prepared by microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD), and the results were compared with the measured by using Ka band split-cylinder resonator device. The quality of diamond films was analyzed by Raman spectroscopy. It shows that, dielectric loss ranges from 3.8×10–5to 76.8×10–5, depending on the quality measured by Raman spectroscopy. Moreover, due to electrical conductivity of diamond film, the dielectric loss of high quality diamond film at K band is obviously higher than that at Ka band, and due to one-phonon excitation of acoustic vibrations or Rayleigh scatterings, the dielectric loss of poor quality diamond film presents a contrary tendency.

MPCVD diamond films; Raman spectra; quality; split-cylinder resonator; dielectric property; K-Ka band

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.006

TQ174

A

1001-2028（2017）04-0032-05

2017-02-13

刘艳青

国家磁约束核聚变能专项资助(No. 2013GB110003)

刘艳青（1987－），女，山东聊城人，博士研究生，研究方向为MPCVD金刚石膜制备及其微波介电性能研究，E-mail: liuyanqing870425@163.com。

网络出版时间：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.006.html