国外单晶金刚石火焰法外延生长研究进展

单晶金刚石火焰法外延生长研究对发展单晶金刚石产品和火焰法合成技术,进而保证单晶金刚石各种优异特性在尽可能广泛的范围内得到充分利用,均有重要意义。本文就国外外延生长试验工作、结果测试分析及同质外延生长机理诸方面,论述了自金刚石火焰合成方法发明四年来单晶金刚石火焰法外延生长研究的进展。     

异质外延生长金刚石薄膜的研究

本文用氢气、丙酮作为气体源，用微波等离子体化学气相沉积方法，在ＣＢＮ单晶的（１１１）晶面及单晶硅的（１００）晶面上进行了金刚石薄膜异质外延生长的研究。用ＳＥＭ、ＭＬＲ和Ｘ－ｒａｙ衍射方法对试验结果进行了观察、分析。通过实验发现，在ＣＢＮ单晶的（１１１）晶面及单晶硅的（１００）晶面上直接实现金刚石薄膜的异质外延生是不太可能的。     

大气下火焰法同质外延金刚石单晶膜

气相合成金刚石膜技术的问世，使制备金刚石电子有源器件成为可能。本文将静高压法合成的大颗粒优质单晶镶嵌在纯铜板中作为基板。以乙炔和氧气为反应气体，将氧气与乙炔的体积比率R(R=O2：2CH2)控制在0．85～1．0区间。采用大气下火焰法进行了金刚石单晶膜的同质外延实验。并通过拉曼散射，扫描电镜、反射高能电子衍射对实验结果进行了检测分析，在(100)面同质外延的金刚石单晶膜上观察到了螺旋生长的现象。     

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。      

同质外延单晶CVD金刚石的研究进展

金刚石因具有诸多优异的物理化学性能而使其在很多领域都有非常广阔的应用前景.CVD法高速合成大面积、高质量单晶金刚石一直是人工合成金刚石的研究热点之一.本文首先从基底预处理、生长参数的优化以及合成工艺的改进这三个方面综述了MPCVD同质外延单晶金刚石的研究进展,其次对国内外CVD外延单晶金刚石的研究进展进行了简单的介绍,...     

单晶金刚石外延层生长工艺研究

目的 研究高质量单晶金刚石外延生长工艺。方法 使用X射线白光形貌束分析了等离子体表面刻蚀处理前后单晶金刚石位错密度的变化,随后使用等离子体刻蚀预处理工艺,通过改变沉积温度研究了其对金刚石质量的影响。为了表征温度对单晶金刚石质量的影响程度,使用拉曼光谱和X射线衍射摇摆曲线等方法分析了单晶金刚石质量以及位错密度的变化情况,进而确定沉积高质量单晶金刚石最佳的沉积温度。结果 X射线白光形貌束结果显示,未进行氢氧等离子体表面刻蚀的籽晶生长之后,由于表面微加工、抛光引入的位错或者微裂纹,导致生长层位错增多;同时,氢氧等离子体表面刻蚀实验结果显示,刻蚀时间并非越长越好;使用刻蚀处理过的单晶金刚石籽晶进行不同温度外延生长实验,籽晶刻蚀后生长的金刚石拉曼峰位均在1332.5 cm?1附近,半高宽为2~3 cm?1之间。在900 ℃沉积之后,X射线摇摆曲线半高宽仅为0.009。结论 使用氢氧微波等离子体刻蚀单晶金刚石,800 ℃刻蚀40 min,可以基本消除因微加工或者抛光引入的位错或者缺陷。经过刻蚀处理的籽晶在900 ℃制备出的单晶金刚石质量最高,位错最少,可以满足高质量单晶金刚石的制备。     

金刚石表面沟槽的横向拼接生长研究

本文以高温高压(HPHT)合成的金刚石为籽晶,通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)外延生长金刚石方法,研究了金刚石表面沟槽的横向拼接生长。研究结果表明,金刚石表面沟槽可以通过金刚石横向生长方式实现外延拼接,使沟槽填满达到平整;外延生长金刚石膜上的拼接缝痕迹与沟槽宽度呈现正相关关系,与沟槽深度关联较小。这种金刚石上沟槽的横向拼接生长方式对英寸级单晶金刚石的合成具有重要意义,同时还可用于金刚石的埋层式电极的生长。     

高功率微波等离子体对单晶金刚石同质外延生长的影响

目的 为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境,研究高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长层的影响。方法 利用实验室自主研发的915 MHz–MPCVD装置,在20～35 kW高功率微波馈入的条件下,具体研究了高功率等离子体环境中甲烷浓度、微波功率及基片温度对单晶金刚石外延生长层的影响。利用光学显微镜、激光拉曼光谱及光致发光光谱对所生长的单晶金刚石进行形貌质量表征,利用等离子体发射光谱对高功率微波等离子体环境进行诊断。结果 在馈入25 kW的微波功率时,将甲烷的体积分数从6%下降至3%,可以使单晶金刚石更易于出现层状生长结构;保持甲烷体积分数为3%,将微波功率从25 kW提高到35 kW,可以进一步优化单晶金刚石生长的层状结构,提高单晶金刚石的生长质量和生长速率;保持微波功率为35 kW,当甲烷体积分数为3%时,将基片温度从800℃提高到1 210℃可以明显提高单晶金刚石的生长速率,但会易于引入非金刚石相;保持甲烷体积分数为3%,将微波功率提高到35 kW,可以在等离子体中激发更多有利于金刚石快速生长的含碳活性基团;当微波功率为35 kW、甲烷体积分数为3%、基片温度为950℃时...     

CVD金刚石大单晶外延生长及高技术应用前景

CVD（化学气相沉积）金刚石大单晶生长是CVD金刚石膜研究领域在过去十余年中所取得的重大技术进展之一,在一系列高新技术领域有极其重要的应用前景。针对CVD金刚石大单晶的制备和应用进行了综述。首先对CVD金刚石大单晶生长技术进行了概括性的描述,然后对CVD金刚石单晶制备方法进行详细介绍和评述。并对CVD大单晶在高性能辐射（粒子）探测器、金刚石高温半导体器件、高压物理试验、超精密加工以及在首饰钻戒等方面的应用现状与前景进行了介绍与评述。最后针对CVD高仿钻戒与天然钻戒的鉴别进行了评述,并提出了新的建议。     

PVT同质外延生长AlN单晶初期模拟及其实验研究

在同质外延生长大尺寸、高质量氮化铝单晶的初期,常用梯度反转工艺避免氧、碳及氢等杂质污染籽晶表面。本文使用FEMAG晶体生长模拟仿真软件及自主开发的PVT法有限元多相流传质模块对自主设计的全自动、双电阻加热气相沉积炉进行了同质外延生长AlN单晶初期温度场及传质过程模拟仿真研究,并基于模拟结果开展了同质外延长晶实验。模拟仿真及实验研究结果表明：通过生长初期的梯度反转工艺可有效消除氧、碳及氢等杂质表面污染;坩埚的合理位置对同质外延生长AlN单晶时的温度梯度、Al/N蒸气传输及生长速率等至关重要;基于AlN单晶同质外延生长初期的模拟仿真研究与成功生长实验,为下一步开展稳定同质外延扩尺寸单晶生长工艺奠定了扎实基础。     

高质量金刚石自支撑膜织构与断裂强度的关系研究

利用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积在Mo基体上制备了不同织构的金刚石厚膜。用扫描电境(SEM)观察金刚石膜的形貌，用XRD表征晶体取向，用极图和取向分布函数法计算金刚石膜的不同织构，利用三点弯曲法测量金刚石膜的断裂强度。结果表明，金刚石膜的断裂强度随着衍射峰强度比值，I(111)／I(220)的增大而不断降低。{110}织构的金刚石膜具有最高的断裂强度。     

甲烷体积分数对纳米金刚石薄膜形貌的影响

目的研究不同甲烷体积分数对纳米金刚石(NCD)薄膜生长的影响,实现较小晶粒尺寸、高平整度的NCD薄膜的制备。方法采用微波等离子体增强化学气相沉积的方法制备NCD薄膜,以CH4/H2为气源,在生长阶段控制其他条件不变的前提下,探讨不同甲烷体积分数对NCD晶粒尺寸、表面形貌以及表面粗糙度的影响。采用SEM、XRD等观测NCD薄膜的表面形貌和晶粒尺寸大小,并利用Raman对NCD薄膜的不同散射峰进行分析。结果随着甲烷体积分数的增加,薄膜晶粒尺寸有减小的趋势。甲烷体积分数较低时,晶形比较完整,但致密度较小;甲烷体积分数较高时,晶形杂乱无章,但致密度较好。当甲烷体积分数为9%时NCD薄膜平均粒径达到最小,为21.3 nm,表面粗糙度较好,但非晶金刚石成分开始大量生成,NCD薄膜质量开始变差;当甲烷体积分数为8%时其形貌最好,且此时最小表面粗糙度小于20 nm。通过Raman分析可知NCD薄膜中出现了硅峰和石墨烯特征峰。结论甲烷体积分数对NCD薄膜形貌有较大影响,甲烷体积分数为8%时是表面平整度由较差变好再逐渐变差的分界点,且平均晶粒尺寸为23.6 nm,薄膜表面具有较好的平整度。     

Si（100）上异质外延金刚石膜生长及其应用研究

利用负衬底偏压和发射电子增强核化的方法,通过微波等离子体和热灯丝CVD法在Si(100)上合成出了高度定向的异质外延金刚石膜。并利用冷离子注入和快速退火处理完成P型掺杂异质外延金刚石膜的制作,研制出高灵敏度的压阻和磁阻传感器件。试验结果表明,这些器件不仅具有高灵敏度,而且在高温、高辐射和强化学腐蚀的环境下仍能正常工作。     

Deposition of diamond/β-SiC nanocomposite films onto a cutting tool material

The motivation behind depositing nanocrystalline diamond/β-SiC composite thin films onto a cutting tool material is not only to obtain films having a whole range of combined properties of the components but also to enhance their fracture toughness without compromising on the hardness aspect. Nanocrystalline diamond composites are expected to behave differently owing to the large volume of grain boundaries. With smooth surface morphology and improved adhesion, diamond/β-SiC nanocomposite film system may not only serve as a separate film system but may also serve as an interlayer for the further deposition of adherent diamond top layers with regard to cutting tool applications. In this paper we report the deposition of nanocrystalline diamond/β-SiC composite thin films onto WC-6 wt.% Co substrates by employing microwave plasma chemical vapor deposition (MWCVD) technique using gas mixtures of H₂ and CH₄ and tetramethylsilane [TMS, Si(CH₃)₄]. Scanning electron microscopy (SEM), glancing angle X-ray diffraction (GIXRD), energy-dispersive X-ray (EDX), micro Raman scattering and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopic analyses have been carried out to characterize the microstructure and composition of the deposited films. The microstructure of the composite films constitutes a phase mixture of nanometer sized diamond and β-SiC grains. By adjusting TMS gas flow during deposition, β-SiC content in the nanocomposite films can be controlled. This aspect was utilized to successfully realize diamond/β-SiC nanocomposite gradient films with diamond top layers on the hard metal substrates in a single process step.     

Growth of Free-standing Diamond Films on Graphite Substrates with Ti Interlayers

DIAMOND has many remarkable chemical andphysical properties,such as extreme hardness,highthermal conductivity,high electrical resistively andexcellent optical transparency and so on.For diamond,approximately5.5ev is required to excite an electronfrom the valence band to the conduction band,compared with1.1ev for Si and0.7ev for Ge m.Therefore,Diamond is a wide band gap material.Furthermore,due to the high vibration energy of carbonatoms in diamond,the frequency of infrared absorptionis abn…     

微波等离子体刻恂对WC—Co硬质合金基体金刚石薄膜附着力的影响

金刚石薄膜的附着力是影响CVD金刚石涂层刀具切削性能的关键因素,本文采用EACVD法在硬质合金（YG6）基体上沉积金刚石涂层;用Ar-H2微波等离子WC－C0衬底进行刻蚀处理,以改变基体表面与金刚石涂层间的界面结构,提高金刚石涂层的附着力;采用压痕法评估涂层附着力,借助SEM等观察刻蚀预处理方法对膜基界面的影响,并对此进行分析和讨论。     

并联导热结构的金刚石/铜基复合材料的制备

为提高金刚石/铜基复合材料的导热性能,在芯材表面预先化学气相沉积(CVD)高质量金刚石膜,获得柱状金刚石棒,再将其垂直排列,填充铜粉后真空热压烧结,制备并联结构的金刚石/铜基复合材料。分别采用激光拉曼光谱(Raman)与扫描电子显微镜(SEM)对CVD金刚石膜的生长进行分析,并通过数值分析讨论复合材料的热性能。结果表明:金刚石/铜基复合材料结构致密,密度为9.51g/cm3;CVD金刚石膜构成连续的导热通道,产生并联式导热,复合材料的热导率为392.78 W/(m·K)。     

实验参数对金刚石薄膜内应力的影响研究

采用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在硬质合金基体上制备金刚石薄膜涂层,采用SEM观察金刚石薄膜形貌,采用Raman光谱法分析制备的金刚石薄膜与基体的内应力。变化丝基间距、偏流、碳浓度等参数,通过测定拉曼光谱单一谱峰的位移Δω计算涂层的内应力,从而得到制备内应力较小的金刚石膜的工艺参数范围。     

C60作为石英衬底过渡层气相生长金刚石薄膜

本文采用微波等离子体化学气相沉积方法，以Ｃ６０膜作为过渡层，在石英衬底表面，首次在等离子体预处理中无衬底负偏压条件下的生长出金刚石晶粒。通过扫描电镜观察到金刚石晶粒呈菜花状，生长表现为（１００）晶界。