利用发射光谱探究CO2对MPCVD法生长单晶金刚石质量的影响

等离子体发射光谱作为一种非侵入性等离子体诊断手段能有效探测等离子体内部基团的变化信息,对这些信息的分析可以反映等离子体的特性,从而有助于探究影响单晶金刚石生长结果的原因和机理。CO₂是一种比O2更安全的气体,近年来在源气体引入CO₂生长高质量单晶金刚石的研究日渐增多。本文利用微波等离子体化学气相沉积法在4.2 kW的微波功率下进行单晶金刚石同质外延生长实验,对生长过程中的CH4/H2/CO₂等离子体进行了发射光谱诊断,最后结合光谱信息和拉曼光谱表征研究了CO₂体积分数对单晶金刚石生长质量的影响,结果发现CO₂浓度增加对C2和CH基团强度抑制作用明显,对C2抑制作用最强,这也是导致生长速率下降的主要原因。I(CH)/I(Hα)比值略有增加,说明CO₂增加对金刚石前驱物的沉积有促进作用,这在一定程度上减弱了对生长速率的不利影响。拉曼表征结果说明0～5%CO₂浓度下的单晶金刚石质量随CO₂浓度上升变好,且浓度为5%时,...     

MPCVD法中氮气对单晶金刚石生长机理影响的探究

在微波等离子体化学气相沉积法同质外延生长单晶金刚石的过程中添加不同浓度的氮气,利用发射光谱、拉曼光谱等测试手段探究不同浓度氮气对等离子体以及单晶金刚石生长质量和速率的影响,通过分析等离子体内部基团强度的变化探究添加氮气对单晶金刚石生长机理的影响。探究发现:氮气的添加对于等离子体内基团的种类并没有明显改变,但随着氮气浓度的升高,CN基团的基团强度具有明显升高的趋势,C₂基团的基团强度不断降低,单晶金刚石的生长速率不断提高。氮气并不是通过提高甲烷的离解度来产生更多的C₂基团从而促进单晶金刚石的生长,而是作为一种催化剂加快单了晶金刚石表面的化学反应。当氮气浓度低于0.5%时,单晶金刚石的生长速率提高幅度较大且生长质量良好。但当氮气浓度超过0.8%时,单晶金刚石的生长速率逐渐趋近于饱和,且非金刚石相不断增多,生长质量不断降低,因而通入氮气的最佳浓度应该低于0.5%。     

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。     

气体流动方式对MPCVD金刚石薄膜均匀性的影响

在实验室自主研制的10 kW微波等离子体化学气相沉积装置上,通过改变气体的进出方式,探讨了气体流动方式对金刚石膜均匀性和质量的影响。结果表明:随着Si基片表面气体分子数增多,等离子体中的H原子和CH活性基团强度增强,扩散到基片表面中心的原子H和含碳活性基团增多,基片中心区域的金刚石膜生长速率略微有所提升,由原来的2.5μm/h提高到2.8μm/h,沉积得到的金刚石膜质量和均匀性均得到改善。     

第二十二讲 化学气相沉积（CVD）技术

<正>（接2023年第6期88页）微波等离子体CVD法是制备优质金刚石薄膜的好方法。在微波CVD装置中,极高频率的微波电场将使气体放电产生等离子体。等离子体中电子的快速往复运动进一步撞击气体分子,使得气体分子分解为H*和各种活性基团。这些大量的原子氢和活性的含碳基团是用低温低压的CVD方法沉积金刚石所必需的。     

等离子体聚集装置下的高能量密度单晶金刚石快速生长研究

单晶金刚石是一种性能优异的晶体材料,在先进科学领域具有重要的应用价值。在微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)单晶金刚石生长中,如何提高晶体的生长速率一直是研究者们关注的重点问题之一,而采用高能量密度的等离子体是提高单晶金刚石生长速率的有效手段。在本研究中,首先通过磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,MHD)模型仿真计算,优化设计了特殊的等离子体聚集装置;随后基于模拟结果进行生长实验,采用光谱分析和等离子体成像对等离子体性状进行了研究,制备了单晶金刚石生长样品;并通过光学显微镜、拉曼光谱对生长样品进行测试。模拟结果显示,聚集条件下的核心电场和电子密度是普通条件下的3倍;生长实验结果显示,在常规的微波功率(3500W)、生长气压(18kPa)下得到的高能量密度(793.7 W/cm3)的等离子体与模型计算结果吻合。高能量密度生长条件并不会对生长形貌产生较大影响,但加入一定量氮气能够显著改变生长形貌,并对晶体质量产生影响。采用这种方法,成功制备了高速率(97.5μm/h)单晶金刚石。不...     

低浓度氮气对单晶金刚石生长质量的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法在CH₄/H₂ 反应气体中引入不同低浓度氮气条件下, 研究氮气对单晶金刚石生长质量的影响。利用发射光谱、拉曼光谱以及扫描电子显微镜对单晶金刚石质量进行表征。结果表明:随着气源中氮气浓度的增加, 单晶金刚石增长速率随之增加, 表面多晶缺陷得到抑制, 且Raman光谱法测得一阶特征拉曼峰随着氮气浓度的提高而向高波数移动, 呈现出压应力, 整体质量变差。经过退火过程之后, 引入氮原子的单晶金刚石生长拉应力得到释放, 样品呈现出拉应力。     

MPCVD法中氮气对单晶金刚石生长机理影响的探究北大核心CSCD

在微波等离子体化学气相沉积法同质外延生长单晶金刚石的过程中添加不同浓度的氮气,利用发射光谱、拉曼光谱等测试手段探究不同浓度氮气对等离子体以及单晶金刚石生长质量和速率的影响,通过分析等离子体内部基团强度的变化探究添加氮气对单晶金刚石生长机理的影响。探究发现:氮气的添加对于等离子体内基团的种类并没有明显改变,但随着氮气浓度的升高,CN基团的基团强度具有明显升高的趋势,C2基团的基团强度不断降低,单晶金刚石的生长速率不断提高。氮气并不是通过提高甲烷的离解度来产生更多的C2基团从而促进单晶金刚石的生长,而是作为一种催化剂加快单了晶金刚石表面的化学反应。当氮气浓度低于0.5%时,单晶金刚石的生长速率提高幅度较大且生长质量良好。但当氮气浓度超过0.8%时,单晶金刚石的生长速率逐渐趋近于饱和,且非金刚石相不断增多,生长质量不断降低,因而通入氮气的最佳浓度应该低于0.5%。     

圆柱谐振腔式MPCVD装置中氢、氩微波等离子体分布规律的数值模拟

在使用简化的等离子体放电模型的基础上,模拟了圆柱谐振腔式微波等离子体沉积室中,不同金刚石膜生长条件下微波等离子体的分布状态。在模拟中,针对纳米金刚石的生长环境,就纯氩气反应气体中,不同的输入功率、不同气体压力条件下,沉积室中形成的等离子体分布的变化规律进行了模拟,将其与一般氢气气氛下的相应模拟结果相对比。模拟所获得的结果,对微波等离子体方法沉积金刚石膜的操作环境的优化,有着一定的指导意义。     

低温沉积金刚石薄膜的研究

利用微波等离子体化学气相沉积法,以甲烷、氢气和氩气作为工作气体,在较低的沉积温度下,沉积得到了连续的金刚石薄膜。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪分别对金刚石薄膜的表面形貌、生长结构以及沉积质量进行了表征。实验结果表明,氩气的引入虽然可以有效的降低获得金刚石薄膜所需的基片温度,但为了提高金刚石薄膜的质量,需要适当的提高微波功率。同时,当基片温度一定时,在CH4/H2/Ar体系和CH4/H2体系下均可获得表面形貌与生长结构相似的金刚石薄膜,且可能利用CH4/H2/Ar作为工作气体沉积金刚石薄膜所需要的微波功率更低。     

MPCVD中双基片结构对等离子体的影响研究

在传统的波导耦合微波等离子体化学气相沉积装置中引入双基片结构,测量了金刚石沉积过程中的等离子体发射光谱,通过与单基片结构对比,比较研究了双基片对微波等离子体参数的影响。研究表明:在相同金刚石沉积参数下,双基片结构相比于单基片结构下等离子体基团强度更高。其中H_α基团强度远高于单基片台下H_α基团强度;随着甲烷浓度的增加,双基片结构下C_2基团强度上升更加显著,且在相同条件下,双基片结构下C_2与H_α的比值更小,有利于提高金刚石膜的质量。此外,双基片结构下等离子体电子温度较低且随气压的上升而进一步降低。     

MPCVD制备纳米金刚石真空窗口的研究

微波等离子体化学气相沉积装置用于制备纳米金刚石膜和纳米金刚石真空窗口,气源为H₂、CH₄、Ar和少量O₂。扫描电镜、拉曼光谱、X射线衍射仪、原子力显微镜用于表征和分析纳米金刚石膜,自制的漏气率测量装置测出纳米金刚石真空窗口漏气率。结果表明:金刚石膜厚20μm、表面平均粗糙度Ra=34.6 nm,平均晶粒尺寸35 nm,金刚石窗口漏气率为2.78×10^-9Pa·m³/s。     

等离子体稳定性对曲面金刚石膜生长的影响

采用直流等离子体喷射化学气相沉积(DCPJCVD)制备曲面金刚石膜,等离子体稳定性对金刚石膜生长十分重要。研究表明,曲面金刚石膜长时间生长,阳极积聚石墨碳点,等离子体流动受阻失稳,金刚石膜含较多杂质。通过对阳极除碳处理,可维持稳定的等离子体、稳定的电子温度Te、均匀的活性原子及原子基团密度。制备的金刚石膜经SEM、Raman等表征,发现曲面金刚石膜致密、晶粒均匀,仅发现金刚石特征峰,制备的曲面金刚石膜质量较高。     

高气压对MPCVD沉积金刚石薄膜的影响

本研究在10 kW微波等离子体CVD装置中进行,以仿真模拟为辅助理论依据研究了在一定的高功率环境下,气压对金刚石薄膜沉积质量的影响。利用SEM表征对金刚石表面形貌变化进行分析,利用Raman表征结果分析了不同气压环境下金刚石薄膜的结晶质量及半高宽的变化情况。研究结果表明,气压对电子密度影响很大,进而影响金刚石沉积薄膜的表面形貌。在5 kW微波功率下,17 kPa为最优沉积气压,沉积形貌相对最好,半高宽最小。当气压低于17 kPa时,结晶质量随气压增大而增大;当超过17 kPa时,结晶质量不增反降。     

基片位置对微波等离子体合成金刚石的影响

用自制的微波功率为5kW的微波等离子体(MPCVD)装置、用H2/CH4/H2O作为反应气体在较高的沉积气压(12.0kPa)条件下,研究了基片放置在等离子体球边缘附近不同位置对CVD金刚石沉积和生长的影响。结果表明,CVD金刚石的形核和生长对环境的要求是不同的;在等离子体球边缘处不利于金刚石的形核,但有利于高质量金刚石的沉积。     

氢等离子体处理对类金刚石膜场发射性能的影响

采用大功率、高重复频率、准分子激光溅射热解石墨靶制备了类金刚石膜,研究了直流辉光氢等离子体处理对类金刚石膜的场发射性能的影响。结果表明:氢等离子体处理后,类金刚石膜的场发射性能明显提高,其发射阈值电场由26V/μm下降到19V/μm。氢等离子体刻蚀除去了类金刚石膜生长表面的富含石墨的薄层,露出的新表面具有较低的功函数;膜表面的悬键被氢原子饱和,进一步降低了电子亲和势,改善了膜的场发射性能。     

氧碳比对MPCVD法同质外延单晶金刚石的影响

以Ib型(100)取向高温高压(HPHT)单晶金刚石为基底、H2-CH4-CO2混合气为反应气源,利用10kW、2.45GHz不锈钢谐振腔式微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置进行金刚石同质外延生长。通过光学显微镜表征外延生长金刚石的表面形貌;Raman光谱表征金刚石的结晶质量;螺旋测微仪测厚再计算生长速率,着重探讨工艺因素中氧碳比对同质外延金刚石生长速率、表面形貌、金刚石结晶质量的影响。结果表明随着氧碳比的增加,金刚石生长模式由二维形核模式转变为台阶流模式,结晶质量提高,生长速率变慢;在微波功率7.8kW、CH4浓度(与H2的比例)8%、气压18kPa、基底温度1080℃条件下,氧碳比为0.8时,金刚石结晶质量好且生长速率高(达16μm/h)。反应气源中引入合适比例的CO2是获得高的生长速率同时有效改善同质外延单晶金刚石结晶质量的有效方法。     

氧等离子体对金刚石膜的刻蚀研究

用微波放电法产生氧等离子体，通过改变系统中氧的浓度和金刚石膜的温度研究了氧等离子体对CVD多晶金刚石膜刻蚀的影响。实验结果表明：随着氧浓度的增加和金刚石膜温度的提高，刻蚀作用加剧；而在较低的氧浓度和金刚石膜温度条件下金刚石膜的晶界处首先被刻蚀，说明金刚石膜的境界处含有较多的非金刚石碳相。并且从等离子体对(100)和(111)面的刻蚀现象可知(100)面的生长是二维生长，(111)面的生长是岛状生长。     

不同CO_2流量对CVD金刚石膜生长的影响研究

采用微波等离子体化学气相沉积法,以CH4-CO_2为气源,通过改变CO_2的流量,探讨了此气源下金刚石膜的生长情况。利用扫描电子显微镜对制备的金刚石膜表面形貌和断面进行了表征,采用Raman和X射线衍射仪对金刚石膜的质量和晶体结构进行分析。结果表明,CH_4流量为50 m L/min时,CO_2流量在20~40 m L/min范围内可以沉积出完整的金刚石膜,CO_2的流量对金刚石膜的表面形貌影响较大,在CO_2/CH_4=30∶50条件下,沉积速率可达到3.4μm/h,同时可以制备出高质量的金刚石膜。     

热阴极直流辉光等离子体化学气相沉积法制备纳米晶金刚石膜的研究

采用热阴极直流辉光等离子体CVD方法,在氩气/甲烷/氢气混合气氛中制备出纳米晶金刚石膜,研究不同氩气/氢气流量比对纳米晶金刚石膜沉积的影响。对样品形貌的SEM测试表明,随着氩气与氢气流量比由40/160增加到190/10,膜中金刚石晶粒尺寸由约600nm减小到约30nm。金刚石膜Raman谱中金刚石特征峰逐渐减弱,石墨G峰逐渐增强,反式聚乙炔特征峰及其伴峰强度加大。等离子体光谱分析表明C2是生长纳米晶金刚石膜的主要活性基团。