MPCVD法制备金刚石膜的工艺

采用3 kW/2 450 MHz微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)系统,以单晶硅为基底材料,采用单因素试验法研究微米级金刚石膜的生长工艺,分别探究衬底温度、腔体压强和甲烷体积分数对金刚石成膜过程的影响,获得微米级金刚石膜的最优生长工艺。结果表明:金刚石膜的生长速率与衬底温度、腔体压强、甲烷体积分数呈正相关;衬底温度和腔体压强对金刚石膜质量的影响存在最佳的临界值,甲烷体积分数过高不利于形成金刚石相。金刚石膜生长的最佳工艺参数为:功率为2 200 W,衬底温度为850 ℃,腔体压强为14 kPa,甲烷的体积分数为2.5%。在此条件下,金刚石膜生长速率为1.706 μm/h,金刚石相含量为87.92%。      

氮气对DC-PCVD法制备金刚石薄膜影响的研究

采用直流热阴极等离子体化学气相沉积方法,用甲烷、氢气、氮气的混合气体在Mo基底上成功制备了金刚石薄膜.分别采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)对不同流量氮气氛下生长金刚石薄膜的形貌、取向、质量进行了表征.结果表明:适量氮气的加入,不仅可以促进金刚石薄膜的生长速率,还可以促进金刚...     

高等离子体功率密度下MPCVD法制备多晶金刚石膜

通过自制的MPCVD双基片台设备,在微波功率为1 400 W保持不变及中高气压,等离子体功率密度为357.5～807.4 W/cm³,基片温度为850±30℃,CH₄体积分数为1.0%～1.5%,沉积速率为1～8μm/h条件下,在直径11.5 mm的硅基片上沉积不同质量的多晶金刚石膜,并通过光谱仪、光学显微镜、拉曼光谱仪对等离子体中的氢原子及含碳基团、多晶薄膜的形貌及质量进行表征。结果表明：随着等离子体功率密度上升,等离子体椭球中的氢原子基团和含C的活性基团强度增加,金刚石膜生长速率大幅度提高,金刚石膜纯度也大幅度提升。在气压为21 kPa,等离子体功率密度为807.4 W/cm³,基片温度为850±30℃,生长时间为150 h,CH₄体积分数为1.0%及氢气流量为200 mL/min的条件下,金刚石膜的生长速率达到5μm/h,金刚石膜厚达752.0μm,金刚石拉曼峰的半高宽为6.48 cm^-1,且生长的金刚石膜质量良好。     

低功率MPCVD制备金刚石薄膜

通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以CH4/H2为气源,合成高质量金刚石薄膜,在150 W低微波功率下,从衬底预处理方法、沉积气压、流量比等方面对制备高质量金刚石薄膜的工艺参数进行研究.结果表明:高流量比不利于金刚石颗粒的粒径控制,二次形核的存在可以获得近纳米级颗粒尺寸的金刚石薄膜;较大的沉积气压有利于制备...     

不同高浓度气体对金刚石薄膜制备的影响

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,分别制备了CH4/H2体系、CH4/H2/N2体系以及CH4/H2/Ar体系金刚石薄膜。主要采用了扫描电子显微镜(SEM)、激光拉曼光谱(Raman)和X射线衍射光谱(XRD)等方法对不同体系中制备的金刚石薄膜的晶粒尺寸及其品质进行了分析,研究了不同高浓度气体对金刚石薄膜的影响。结果显示:利用高浓度的甲烷可以在很大程度上细化晶粒,制备出纳米晶金刚石薄膜,但是薄膜的非晶相较多,品质下降;加入70%N2,薄膜中的金刚石晶粒生长速度较慢,但可制备出均匀的纳米晶金刚石薄膜;70%的Ar气氛中,金刚石晶粒生长较快,制得的薄膜中的金刚石晶粒是微米级别的。     

“限流环”对MPCVD法快速制备高质量金刚石膜的研究

为了提高金刚石膜的沉积速率和沉积质量,本文通过在5 kW微波等离子体化学气相沉积装置(MPCVD)的腔体内添加“限流环”,运用较高的微波功率(4700 W)以较高的沉积速率(25.0μm/h)得到了高质量的金刚石膜.添加“限流环”后,明显改变了工作气体在腔体中的流向.在高功率微波下,工作气体能尽可能多地流经高能等离子体...     

一种提高MPCVD法制备金刚石膜均匀性的方法

采用自制的1 kW石英钟罩式微波等离子体化学气相沉积装置,以氢气和甲烷作为气源在镜面抛光的(100)面单晶硅片上沉积了金刚石薄膜。实验共制得两个样品,其中一个样品在制备的过程中加装了难熔的金属钽环,利用等离子体易吸附于金属钽环表面的特性,缩小了硅片中间与边缘等离子体密度差异,另外一个样品没有加装难熔的金属钽环。利用激光拉曼光谱仪和扫描电子显微镜(SEM)对制备的样品进行了表征,发现没有加装金属钽环的样品中间位置沉积的金刚石膜质量明显高于边缘位置沉积的金刚石膜,中间位置、离中间5 mm位置、边缘位置沉积膜层的厚度差别很大;加装了金属钽环的样品中间位置与边缘位置沉积的金刚石膜质量差不多,中间位置、离中间5 mm位置、边缘位置沉积膜层的厚度差别不大,上述结果证明金属钽环的加入是一种提高MPCVD法制备金刚石膜均匀性的方法。     

氮气体积浓度对高微波功率沉积金刚石膜的影响

本研究在实验室自制的10kW圆柱形多模谐振腔式MPCVD装置中,研究了高功率沉积环境下,氮气在不同基片温度下对沉积的金刚石膜的影响。利用SEM表征对金刚石膜表面形貌的变化进行了分析,并结合Raman以及XRD的表征结果,分析了不同沉积温度下,氮气体积浓度与金刚石膜质量和晶粒尺寸间的关系。结果表明:引入氮气会同时起到提高沉积速率和增加二次形核的作用,并且金刚石膜的质量会随氮气体积浓度的增加而下降。随着基片温度的降低,N2对金刚石膜的影响将更多的表现为增加二次形核率。在基片温度为750℃时,通过研究不同氮气体积浓度下金刚石膜晶粒尺寸和结晶度的变化,得出当氮气体积浓度保持在0.03%~0.07%之间时,能获得晶粒尺寸为50nm左右且结晶度较好的纳米金刚石膜。     

温度对MPCVD法同质外延单晶金刚石缺陷的影响

利用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法在含有缺陷的单晶金刚石种晶上进行同质外延生长实验,在其他沉积参数保持相同的情况下,研究温度对生长的单晶金刚石缺陷的影响。通过发射光谱、拉曼光谱以及SEM对单晶金刚石进行表征。实验结果表明:单晶金刚石温度越高,金刚石表面的等离子体发射光谱中的谱线强度比值I（C₂）/I（H_α）也越高;而电子温度越低,等离子体中粒子间的碰撞更加剧烈。在740℃沉积时,单晶金刚石表面会在同质外延生长后出现从缺陷处贯穿的裂痕;在780和820℃沉积时,单晶金刚石表面缺陷有被抑制和覆盖的趋势,缺陷面积减小;而在860℃沉积时,缺陷面积扩大且凸起更为明显。因此,在适宜温度下生长的单晶金刚石质量较好,金刚石特征峰偏移小、应力较小;温度过高或不足,金刚石特征峰向低波数偏移程度较大,压应力较大。      

二氧化碳对金刚石膜生长的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,以H₂/CH₄/CO₂为混合气源,在Si基底上沉积金刚石膜,分析了微波功率和CO₂对金刚石膜生长的影响。利用Raman光谱、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征金刚石膜,以得到样品质量、表面形貌、晶粒取向等信息。结果表明:适当提高微波功率,可以促进金刚石晶粒长大并提高（100）取向度;加入适量CO₂,能提高金刚石膜质量和生长速率,并保持表面形貌不会发生明显变化,但随着CO₂含量的增加,金刚石表面形貌发生较大变化,薄膜质量和沉积速率先提高后降低。      

活性成分对金刚石膜沉积速率和质量的影响

采用微波等离子体化学气相法合成的金刚石膜质量好,但采用常规CH4-H2气体体系,金刚石膜的沉积速率低.为此,实验研究了C2 H5OH-H2、CH4-H2-Ar和CH4-H2-N2等含有活性成分的体系下,微波功率、碳源浓度、气体压力对金刚石膜沉积速率、表面形貌、电阻率的影响.结果表明:使用含氧、氩、氮等活性成分的体系,金...     

圆柱形谐振式MPCVD装置的模拟及调控

目的 在实验室自制的5 kW圆柱形单模微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置上,系统研究各放电参数对等离子体的影响.方法 采用模拟计算与实验调控相结合的方式,分析微波等离子体、基团的运动和分布与放电参数之间的关系.利用发射光谱诊断等离子体环境,同时,利用SEM和Raman对所沉积的金刚石膜的形貌和质量进行表征,以验证MPCVD装置的调控原则.结果 气压和温度满足Tg=8/3 P关系时,吸收功率密度可达最大.单独提高微波功率和工作气压,能很大程度地增强等离子体的电子密度及改善等离子体球的均匀性,而两者相互之间匹配升高能极大地增加等离子体的电子密度,同时激发更多Hα、Hβ、CH及C2这类适合高质量金刚石膜沉积的活性基团.得到了MPCVD装置长时间稳定运行的等离子体稳定边界,并成功制备出高质量的金刚石膜.结论 功率气压及温度相匹配可以提高吸收功率密度、等离子体密度及均匀性.在圆柱形装置稳定运行的边界条件下,能沉积得到较高质量的金刚石膜.     

Influence of intermittently etching on quality of CVD diamond thin films

A new method, called growing-etching repetitional process based on hot filament chemical vapor deposition, was proposed to improve the quality of diamond film. During the deposition carbon source was intermittently closed letting hydrogen etch the surface of the diamond film fi＇om time to time. In order to find whether it is helpful to the films＇ quality, a series of experiments were done. The results show that the new method can enhance the orientation of the chemical vapor deposition diamond films, reduce the graphite phase and increase the film＇s surface resistivity.     

在CH4-H2微波等离子体中添加H2O对大面积金刚石膜生长的研究

用自制的微波功率为5千瓦的微波等离子体（MWCVD）装置，研究了在CH4-H2反应气体中添加安全廉价的H2O代替O2金刚石膜的沉积状况，以H2／CH4／H2O作为反应气体，成功制备了厚度达到1．1毫米，面积达20平方厘米的金刚石厚膜。在沉积温度为700-900℃范围内，研究了CH4／H2=3.0％，H2O／H2=0．0-2．4％范围内金刚石膜沉积的速率，均匀性，形貌以及质量的变化规律。研究结果表明，在反应气体CH4／H2中添加适量H2O能降低金刚石膜中非金刚石碳的含量，提高金刚石膜厚度的均匀性，并对反应气体中添加H2O对CVD金刚石膜生长影响机理进行了阐述。     

MPCVD制备大颗粒金刚石形貌的研究

利用自制5 kW微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置,沉积得到了晶粒尺寸达到500μm的大颗粒金刚石。采用抛光后的硅作为基底,CH4和H2为气源,分别研究了基片边缘与中心区域沉积的大颗粒金刚石的表面形貌。通过SEM表征了金刚石的表面形貌,发现基片边缘由于产生放电现象加速了金刚石的沉积,而晶粒之间相互挤压导致了孪晶的产生,影响其生长质量。相反由于中心区域形核密度低,使得晶粒在优先生长的模型下抑制了小晶粒的生长,从而提供更多的能量促进大晶粒的生长,在本实验条件下(100)晶面得到了长大,并获得了表面平整、晶体形貌良好的大颗粒金刚石。最后介绍了国内外合成大颗粒金刚石的研究进展,并对其研究方向做出了展望。     

MPCVD高功率外延生长单晶金刚石均匀性研究

目的 为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境,开展了高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长研究。方法 利用实验室自主研发的915 MHz-MPCVD装置,在15～37 kW的高功率微波馈入的条件下,研究了在高功率微波等离子体环境中CVD单晶金刚石的均匀生长条件,利用光学显微镜及激光拉曼光谱对所生长的单晶金刚石进行了形貌质量表征,利用等离子体发射光谱对高功率微波等离子体环境进行了诊断。结果 在保持甲烷体积分数为5%时,当微波功率为15k W时,等离子体球的尺寸较小,并不能完全覆盖直径150 mm的基片台;将微波功率从28 kW提高到37 kW,肉眼所见的等离子体尺寸变化并不明显,但等离子体的能量分布范围有一定的扩大,这意味着在一定的范围内活性基团的能量分布更均匀。在较高的微波功率下,分布于基片台不同区域的单晶金刚石片均能获得较好的层状生长台阶。随着微波功率的提高以及基片温度的增加,分布于基片台不同区域的微波电磁场强度都有所增强,提高了单晶金刚石的生长速率和质量。结论 在高功率等离子体环境中,通过大幅度的提高微波功率,可以有效地活化含碳基团,在等离子体中产生有利于单晶金刚石高质量高...     

沉积参数对硬质合金基体微/纳米金刚石薄膜生长的影响

基体温度、反应压力和碳源浓度等沉积参数决定热丝化学气相沉积金刚石薄膜的性能。运用正交试验方法,研究参数对硬质合金基体金刚石薄膜生长的综合作用。采用场发射扫描电镜（FE-SEM）、原子力显微镜（AFM）和拉曼（Raman）光谱检测薄膜的形貌结构、生长速率和成分。结果表明：随着基体温度的降低,金刚石形貌从锥形结构向团簇状结构转变;低反应压力有利于纳米金刚石薄膜的生成;生长速率受反应压力和碳源浓度综合作用的影响。     

用相机测量金刚石膜透光性的研究

为了方便测量、记录和交流金刚石膜的透光性,对用相机测定金刚石膜透光性的技术问题进行了研究。其原理是由相机的感光度、光圈、快门速度先得到一张级差为20%的25级金刚石膜透光性的速查表。测量中,得知膜的快门速度后查表,即可知膜的透光性级数和透光率。该法表征金刚石膜透光性的方式,可适用于多散点单参数膜25级平面坐标图示法和单散点多参数膜相关信息元素的多项式法。该方法快速方便、简单可靠,无需大型设备,保证了金刚石膜的完整性,觧决了整片金刚石膜透光性的测量、表征和分级的问题。