高品质金刚石膜微波等离子体CVD技术的发展现状

金刚石膜拥有许多优异的性能。在制备金刚石膜的各种方法之中,高功率微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法因其产生的等离子体密度高,同时金刚石膜沉积过程的可控性和洁净性好,因而一直是制备高品质金刚石膜的首选方法。在世界范围内,美、英、德、日、法等先进国家均已掌握了以高功率MPCVD法沉积高品质金刚石膜的技术。但在我国国内,高功率MPCVD装备落后一直是困扰我国高品质金刚石膜制备技术发展的主要障碍。首先综述国际上高功率MPCVD装备和高品质金刚石膜制备技术的发展现状,包括各种高功率MPCVD装置的特点。其后,回顾了我国金刚石膜MPCVD技术的发展历史,并介绍北京科技大学近年来在发展高功率MPCVD装备和高品质金刚石膜制备技术方面取得的新进展。     

MPCVD金刚石膜装置的研究进展

微波等离子体(MPCVD)法因其独特的优势,成为高速、大面积、高质量制备金刚石膜的首选方法,MPCVD金刚石膜装置的研究受到科研人员和工业界的广泛关注。文章对金刚石膜的性质和各种制备方法进行了简要概述,论述了CVD金刚石膜的生长机理,着重阐述了各种MPCVD装置的结构特点及工作原理,并对各种装置的优、缺点进行了分析。研究结果表明:研制具有高品质因数谐振腔能激发均匀微波等离子体的MPCVD装置,是进一步开发金刚石膜工业化应用所需解决的主要问题。     

新型MPCVD装置在高功率密度下高速沉积金刚石膜

使用自行研制的新型MPCVD装置,以H2-CH4为气源,在输入功率为5kW,沉积压力分别为13.33、26.66kPa和不同的甲烷浓度下制备了金刚石膜。利用等离子体发射光谱法对等离子体中的H原子和含碳的活性基团浓度进行了分析。用扫描电镜、激光拉曼谱对金刚石膜的表面和断口形貌、金刚石膜的品质等进行了表征。实验结果表明,使用新型MPCVD装置能够在较高的功率密度下进行金刚石膜的沉积;提高功率密度能使等离子体中H原子和含碳活性基团的浓度明显增加,这将提高金刚石膜的沉积速度,并保证金刚石膜具有较高的质量。     

圆柱谐振腔式微波等离子体金刚石膜CVD沉积室的FDTD模拟与优化

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备高质量金刚石膜的一种最重要的技术手段。对微波等离子体金刚石膜沉积装置进行模拟与优化,可大大减少设计和改进MPCVD装置时所需要的时间与成本。本文在结合使用谐振腔质量因子和沉积台上方等离子体的密度与分布两个优化判据的基础上,采用Matlab语言和时域有限差分方法,模拟了圆柱谐振腔式微波等离子体金刚石膜沉积装置,并对其主要尺寸进行了优化。     

微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置的研究进展

综述了各种微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）金刚石膜装置的结构及工作原理,并对它们各自的优缺点做了比较分析;基于MPCVD金刚石膜装置的发展现状,构想设计了一种新型高效的大功率大面积快速沉积CVD金刚石膜装置,并对其可行性做了初步分析研究。     

MPCVD同质外延单晶金刚石研究进展

微波等离子体化学气相沉积法(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)外延单晶金刚石被认为是制备大尺寸、高质量的单晶金刚石极具前景的技术手段之一。本文首先对MPCVD同质外延单晶金刚石生长机理及最新进展做了简要介绍,然后着重阐述了MPCVD法制备大尺寸、高质量单晶金刚石在籽晶筛选与预处理、基台结构设计及生长工艺探索等方面的工作,并对MPCVD高品质单晶金刚石在力学、热学、光学及电子学等领域的应用进行了介绍,对未来单晶金刚石的应用前景进行了展望。     

金刚石膜在多孔硅发光中的应用

采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法成功地在多孔硅上沉积出均匀、致密的金刚石膜。光致发光测量表明,金刚石膜可以有效稳定多孔硅的发光波长和发光强度,具有明显的钝化效应。金刚石膜的这个特点再加上高硬度特性使金刚石膜成为多孔硅的一种潜在的钝化膜。     

高掺杂Si/BDD薄膜电极的制备及电化学性能

近年来,掺硼金刚石(BDD)膜因具备独特的优异性能而作为电极材料已经受到很大的关注.本文通过MPCVD法在高掺杂硅衬底上生长掺硼金刚石膜,并用四探针、扫描电镜、激光拉曼和电化学工作站对其进行了检测,发现所制备的掺硼金刚石膜电导率达10-2Ω·cm,同时发现金刚石膜质量因硼原子的掺入而有所下降,采用循环伏安法研究其电化学...     

一种用于金刚石膜沉积装置的重入式微波谐振腔

微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)是制备高品质金刚石膜的重要方法,而MPCVD技术的关键是其设备核心部件谐振腔的设计。本文基于目前广泛应用的圆柱式和椭球式两种MPCVD谐振腔中微波传输的特点和其各自的优点,提出了一种重入式微波谐振腔的设计构想,并利用数值模拟的方法对这一构想进行了验证。模拟的结果表明,微波在重入式微波谐振腔内外壁之间的路径传输后,可在金刚石膜沉积台处形成一最强且相对均匀的电场。在相同的输入功率下,其形成的最大电场强度高于圆柱式和椭球式两种谐振腔时的情况。由于重入式的微波谐振腔具有结构简单、频率易于调节的优点,因而这一构想可为设计制造新型的MPCVD金刚石膜沉积设备提供参考依据。     

采用MPCVD法在硅衬底上选择性生长金刚石膜

采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法在附有SiO2掩摸的硅衬底上选择性沉积出了金刚石膜。采用扫描电子显微镜（SEM）和Raman光谱仪对金刚石膜的表面形貌和结构进行了表征。并讨论了衬底温度对金刚石薄膜选择性沉积的影响。得出了较佳的沉积条件。     

甲烷浓度对金刚石薄膜质量的影响

纳米金刚石薄膜具有优异的性能,已在多个领域获得广泛应用.但微波等离子体化学气相沉积制备的金刚石薄膜质量却严重受沉积工艺的影响,为了深入了解沉积工艺对制备的金刚石薄膜质量的影响,本文详细研究了甲烷浓度对微波等离子体化学气相沉积( MPCVD)金刚石薄膜质量的影响,利用扫描电镜、X射线衍射、拉曼光谱以及原子力显微镜对其进行...     

微波等离子体化学气相沉积法在硅片上同时生长碳化硅和金刚石

研究了衬底温度、核化密度、衬底表而预处理等工艺参数对微波等离子体化学气相沉积法在硅片上同时生长碳化硅和金刚石的影响.采用扫描电镜、X-射线衍射、喇曼光谱和红外光谱对样品进行了表征.结果表明:从高核化密度生长的金刚石膜中探测不到碳化硅;不论对硅衬底进行抛光预处理还是未抛光预处理,从低核化密度牛长的金刚石厚膜中总能探测到碳化硅.碳化硅生长在硅衬底上未被金刚石覆盖的地方,或者是在金刚石晶核之间的空洞处.碳化硅形成和金刚石生长是同时发生的两个竞争过程.此研究结果为制备金刚石和碳化砟复合材料提供了一种新的方法.     

无支撑、光学级MPCVD金刚石膜的研制

利用引进的6 kW微波等离子体化学气相沉积设备,进行了无支撑金刚石膜工艺的初步研究。在800~1050℃的基片温度范围内,金刚石膜都呈(111)择优取向;基片相对位置对沉积较大面积、光学级金刚石膜至关重要。制出0.25 mm厚Φ50 mm的无支撑金刚石膜。拉曼光谱和X射线衍射分析表明,合成的金刚石膜晶体结构完整,sp2含量极低;透过率测试结果说明了优良的光学性能:截止波长225 nm,光学透过率(λ≥2.5μm)≥70%。     

Implementation of the time-modulated process to produce diamond films using microwave-plasma and hot-filament CVD systems

A newly developed process called time-modulated chemical vapour deposition (TMCVD) was employed to deposit smooth polycrystalline diamond films onto silicon substrates using both microwave plasma CVD (MPCVD) and hot-filament CVD (HFCVD) systems. The distinctive feature of the TMCVD process, which separates it from the conventional diamond CVD process, is that it pulses methane (CH₄) at different flow rates for different time durations into the vacuum reactor during the entire diamond CVD process. Generally, both MPCVD and HFCVD systems produced results that displayed similar trends, except that the growth rate results obtained using the two CVD systems were conflicting. In comparison to the conventional CVD diamond films, the time-modulated films, deposited using both MPCVD and HFCVD techniques, were generally found to be (i) smoother, (ii) consisted of smaller diamond crystallites and (iii) displayed approx. similar film quality. The diamond-carbon phase purity of the as-grown films was assessed using Raman spectroscopy. In addition, the surface roughness, Ra, values of the deposited films were obtained using surface profilometry.     

无支撑优质金刚石膜研制中的相关问题探讨

无支撑优质金刚石膜在微波真空器件和光学器件中的广泛应用,有赖于制备成本的下降和工艺的完善。结合微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石膜的工艺研究结果,本文就沉积速率、晶面取向以及内应力的相关问题进行了初步探讨。对于给定的设备,沉积速率与多种因素有关,包括膜的质量、膜厚均匀性和有效沉积面积、以及形核的密度。在通常情况下,金刚石膜呈(111)择优取向,而样品位置下移5mm后,观察到(100)取向。对内应力的初步研究表明,CH4/H2比例较低(1.5)时,金刚石膜的内应力趋向于压应力,而(100)取向的出现则有助于使内应力降到最低。     

分体圆柱谐振腔法用于金刚石膜微波介电性能测试的研究

针对金刚石膜微波介电损耗低、厚度薄带来的微波介电性能测试难点, 研制了一台分体圆柱谐振腔式微波介电性能测试装置。利用不同直径的蓝宝石单晶样品, 用上述装置对低损耗薄膜类样品微波介电性能的测试能力及样品直径对测试结果的影响进行了实验研究。在此基础上, 使用分体圆柱谐振腔式微波介电性能测试装置对微波等离子体化学气相沉积法和直流电弧等离子体喷射法制备的高品质金刚石膜在Ka波段的微波介电性能进行了测试比较。测试结果表明, 由Raman光谱、紫外-可见光谱等分析证明品质较优的微波等离子体化学气相沉积法制备的金刚石膜具有更高的微波介电性能, 其相对介电常数和微波介电损耗值均低于直流电弧等离子体喷射法制备的金刚石膜。     

系统压强对微波等离子体化学气相沉积金刚石成核的影响

为了在氧化铝上制备（100）定向织构的金刚石薄膜,必须先提高金刚石的成核密度,在微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统中,采用低压成核的方法,在氧化铝陶瓷上沉积出高成核密度的金刚石薄膜,扫描电镜显示其成核密度可达10^8cm^-2。在此基础上,沉积出（100）织构的金刚石薄膜。     

MPCVD制备金刚石膜的形核与生长过程

简要介绍了金刚石膜的物理化学特性及应用领域。对比分析了主要化学气相沉积方法的优缺点,并指出MPCVD所面临的技术瓶颈。总结了反应腔体内压强、基片温度、基体材料及增强形核技术对金刚石膜形核过程的影响。较低腔体内压力、基片温度,高碳源浓度及等离子体预处理能有效提高形核密度。阐述了各过程参数对金刚石膜生长的影响和微米、纳米、超纳米金刚石膜的技术特点及应用。指出各类金刚石膜制备所面临的技术难题,并综述了解决该技术瓶颈的最新研究工作。