线形微波等离子体CVD金刚石薄膜沉积技术

本文将讨论一种新型的微波等离子体CVD设备———线形微波等离子体CVD设备和其在金刚石薄膜制备技术中的应用。利用Langmuir探针方法对线形微波等离子体CVD设备产生的H2等离子体进行的等离子体参数测量表明,在工频半波激励的条件下,H2等离子体的电子温度和等离子体密度分别约为6 eV和1×1010/cm3。尝试利用线形微波等离子体CVD设备,在直径为0.5 mm的小尺寸硬质合金微型钻头上进行了金刚石涂层的沉积,获得了质量良好的金刚石涂层。由于线形微波等离子体CVD设备产生的等离子体面积具有容易扩大的优点,因而在需要使用较大面积等离子体的场合,它将有着很好的应用前景。     

磁镜场在直接耦合式微波等离子体CVD金刚石膜装置中的应用

在自行设计的直接耦合石英管式微波等离子体化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）金刚石膜装置的石英管反应腔加上磁镜场来约束等离子体,使等离子体球成为“碟盘”状,提高了等离子体球的密度,在基本参数为反应压力2.5kPa、基片温度450℃、Ar、CH4、H2气体流量分别为40sccm、4sccm、60sccm,则沉积面积可由30mm增长到50mm,沉积速率由3.3μm/h增长到3.8μm/h,反射电流由15μA减小到5μA。从而大大减少了薄膜在石英管壁和观察窗上的沉积,更好地利用微波能量,有效利用电离的活性基团沉积出高质量的金刚石薄膜。     

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。     

热丝CVD金刚石薄膜制备及碳纳米管形核作用的研究

利用热丝化学气相沉积法 (HF CVD)进行了金刚石薄膜制备和碳纳米管形核作用的研究。获得了制备金刚石薄膜的优化工艺参数。利用碳纳米管作为形核前驱获得了高质量的金刚石薄膜 ,其沉积速率可达 2 5 μm/h ,晶粒生长完美 ,而且没有出现聚晶现象。研究了碳纳米管涂料质量对薄膜沉积特性的影响 ,并对其机理进行了初步探讨     

WC—Co硬质合金基体上金刚石薄膜的附着机理研究

金刚石涂层在硬质合金(WC-Co)基体上的附着力,是影响金刚石涂层刀具切削性能和使用寿命的关键因素.采用微波等离子体化学气相沉积(CVD)法在经酸浸蚀脱Co的硬质合金基体上生长金刚石薄膜.通过对金刚石膜/基界面的微观形貌和成分分析,初步认识了金刚石薄膜的附着机理:机械锁合作用对金刚石膜/基附着力有较大贡献;界面热应力和弱中间相的存在是导致金刚石膜自发剥离的主要原因.     

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。     

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,...     

薄膜

20000801 氢等离子体辅助CVD铜膜模型——Lakshmanan S K．Thin Solid Films，1999，338(1～2)：24(英文) 研究了电容耦合射频氢及铜预聚物放电沉积铜膜分布参数模型，该模型可预测正离子(H+、H2+、H3+)、电子和原子H的浓度和流量，所用预聚物为六氟乙酰丙酮化铜[Cu(HFA)2]。由于Cu(HFA)2主要在基片上消耗，故模型分析Cu(HFA)2分布与工艺参数的关系。通过分解H2，使等离子体中的H原子与预聚物在基片表面反应生成Cu膜。借助反映PACVD表面反应机理的速率方程，H等离子体模型与预聚物传质模型相吻合，以此解释了所观测到的较高Cu沉积速率和薄膜纯净度。20000802 CVD金刚石薄膜与Si基体界面处氧的形成机理——Bergmaier A．Diamond and Related Materials，1999，8(6)：1 142(英文) 研究了CVD金刚石薄膜与Si基体界面处氧的形成机理，研究表明，氧的形核为偏增强形核(BEN)过程，O2浓度等同1nmSiO2含量，O2主要在CO2与工艺气体掺和时晶体生长过程产生的。在金刚石形核和生长过程中去除CO2，可减少界面处O2的含量，气体中添加高浓度CO2将明显增强BEN过程中氧与碳氢化合物的共生。用Si基体表面粗糙度，SixOyCz相的形成和水平不均匀性解释了外延晶体和非晶态相共生的原因，研究结果表明，进一步减少界面处氧含量有利于促进金刚石膜在Si基体上的异质外延生长。20000803 铝带表面氧化硅膜——SATMA Co．美国专利，5830579．(1998．11．3) 光亮、耐蚀铝或铝合金带材表面氧化硅膜可保护铝表面不变色及带材加工成形后表面不发生损伤，铝带材表面膜厚为0.1～1．5 μm，氧化硅膜结构为SiOx(1．8＜x＜2．0)。     

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。     

杆状氧化铍表面金刚石薄膜的生长

利用一种新型线形微波等离子体源以甲烷和氢气为反应气体在135 mm×1 mm×0.5 mm杆状氧化铍表面沉积金刚石膜。研究了氧化铍基底预处理对金刚石形核密度和膜的连续性,以及基底温度对金刚石质量的影响。通过扫描电镜、拉曼光谱对沉积的金刚石膜表面形貌以及质量进行表征。实验结果表明:600#砂纸与金刚石粉混合预处理可以大大提高氧化铍表面金刚石的形核密度,得到连续性较好的金刚石薄膜;同时,基底温度不仅影响着金刚石膜的表面形貌,也影响着金刚石膜的质量。基底温度较低时,金刚石膜在沉积过程中二次形核增强,非金刚石相含量较高;提高沉积温度后,等离子体中H原子浓度增加,有利于金刚石质量的提高。     

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。     

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。     

预处理工艺对硬质合金与金刚石膜间粘结力的影响

在两种经不同预处理的硬质合金YG8基底上，采用微波等离子体化学气相沉积法，在微波功率2kW，压强4.0kPa和6.5kPa，CH4和H2流量分别为1.6cm/s和100.0cm/s的条件下生长金刚石薄膜。利用X射线衍射检测了金刚石薄膜是否存在，用拉曼光谱分析了薄膜的质量，用金相显微镜观察了薄膜的洛氏硬度压痕，标定并比较了不同预处理工艺膜与基底的结合力。实验结果表明，不同的预处理方法对于粘结力的影响不大，最主要的因素是钴含量的多少。     

反应气压对MWPCVD金刚石膜中 非金刚石相碳含量的影响

在水冷反应室式MWPCVD装置中以CH4和H2为反应气体进行了金刚石膜的沉积实验,研究了反应气体的压强对金刚石膜中非金刚石碳相含量的影响。实验发现,当微波输入功率较小时,随着反应气压的上升,沉积膜中非金刚石相碳的含量单调下降;当微波输入功率较大时,沉积膜中非金刚石相碳的含量先随着反应气压的上升而降低,后又随着反应气压的上升而稍稍增加。     

Application of microwave air plasma in the destruction of trichloroethylene and carbon tetrachloride at atmospheric pressure

In this study, the destruction rate of a volatile waste destruction system based on a microwave plasma torch operating at atmospheric pressure was investigated. Atmospheric air was used to maintain the plasma and was introduced by a compressor, which resulted in lower operating costs compared to other gases such as argon and helium. To isolate the output gases and control the plasma discharge atmosphere, the plasma was coupled to a reactor. The effect of the gas flow rate, microwave power and initial concentration of compound on the destruction efficiency of the system was evaluated. In this study, trichloroethylene and carbon tetrachloride were used as representative volatile organic compounds to determine the destruction rate of the system. Based on the experimental results, at an applied microwave power less than 1000 W, the proposed system can reduce input concentrations in the ppmv range to output concentrations at the ppbv level. High air flow rates and initial concentrations produced energy efficiency values greater than 1000 g/kW h. The output gases and species present in the plasma were analysed by gas chromatography and optical emission spectroscopy, respectively, and negligible amounts of halogenated compounds resulting from the cleavage of C(2)HCl(3) and CCl(4) were observed. The gaseous byproducts of decomposition consisted mainly of CO(2), NO and N(2)O, as well as trace amounts of Cl(2) and solid CuCl.     

超音速等离子体喷涂MoSi2涂层工艺研究

涂层技术是C/C复合材料高温抗氧化与抗烧蚀的有效手段,单一的SiC涂层很难为C/C复合材料提供有效的长寿命保护。金属间化合物MoSi2高温时会形成一层致密的SiO2保护膜,具有特别优异的高温抗氧化性能,常作为C/C复合材料的高温抗氧化涂层。本文采用超音速等离子喷涂法在带SiC涂层的C/C复合材料表面制备了MoSi2涂层,主要研究了喷涂功率、主气(Ar)流量对粉料表面温度、飞行速度、沉积率以及对涂层表面微观结构和结合强度的影响。结果表明:喷涂功率在47.5~52.5 kW之间,既能使粒子有较高的速度和温度,还能保证粉末不过熔,在喷涂功率为50 kW时,粉料的沉积率最高,氧化不高,涂层表面致密性好,截面结合紧密,结合强度高;Ar流量为65 L/min时,能够保证MoSi2粉末有较高的表面温度与较快飞行速度,沉积率最高,氧化不高,涂层表面致密,几乎没有孔隙与裂纹。因此,调控超音速等离子体喷涂工艺参数能够在带SiC涂层的C/C复合材料表面得到致密且结合良好的MoSiO2涂层。     

Growth behavior of CVD diamond films with enhanced electron field emission properties over a wide range of experimental parameters

In this study, diamond films were synthesized on silicon substrates by microwave plasma enhanced chemical vapor deposition (CVD) over a wide range of experimental parameters. The effects of the microwave power, CH₄/H₂ ratio and gas pressure on the morphology, growth rate, composition, and quality of diamond films were investigated by means of scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). A rise of microwave power can lead to an increasing pyrolysis of hydrogen and methane, so that the microcrystalline diamond film could be synthesized at low CH₄/H₂ levels. Gas pressure has similar effect in changing the morphology of diamond films, and high gas pressure also results in dramatically increased grain size. However, diamond film is deteriorated at high CH₄/H₂ ratio due to the abundant graphite content including in the films. Under an extreme condition of high microwave power of 10 kW and high CH₄ concentration, a hybrid film composed of diamond/graphite was successfully formed in the absence of N₂ or Ar, which is different from other reports. This composite structure has an excellent measured sheet resistance of 10–100 Ω/Sqr. which allows it to be utilized as field electron emitter. The diamond/graphite hybrid nanostructure displays excellent electron field emission (EFE) properties with a low turn-on field of 2.17 V/μm and β = 3160, therefore it could be a promising alternative in field emission applications.     

平面光波导膜的ECR-PECVD制备及特性研究

采用微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积技术 ,在单晶硅衬底上制备了用于平面光波导的SiO2 薄膜 ,研究了沉积速率与工艺参数之间的关系 ,并对射频偏置对成膜特性的影响作了初步实验研究。通过X射线光电子能谱、傅立叶变换红外光谱、扫描电镜、原子力显微镜、以及扫描隧道显微镜三维形貌和椭偏仪等测量手段 ,分析了样品的薄膜结构和光学特性等。结果表明 ,在较低温度下沉积出均匀致密、性能优良的SiO2 薄膜。此外 ,还成功制备出掺Ge的SiO2 薄膜 ,并可以精确控制掺杂浓度 ,以适应不同光波导芯的要求     

Tuning the conditions for the deposition of nanocrystalline diamond by hot filament chemical vapour deposition

Although large focus has been placed into the deposition of nanocrystalline and ultra-nanocrystalline diamond films, most of this research uses microwave plasma assisted CVD systems. However, the growth conditions used in microwave systems cannot be directly used in hot-filament CVD systems. This paper, aims to enlarge the knowledge of the diamond film depositing process. H2/CH4/Ar gas mixtures have been used to deposit micro, nano and ultra-nanocrystalline diamond films by hot-filament CVD systems. Additionally, the distance between the filaments array and the substrate was varied, in order to observe its effect and consequently the effect of a lower substrate temperature in the nucleation density and deposition. All the samples were characterized for microstructure and quality, using scanning electron microscopy and Raman spectroscopy.     

Growth and characterization of diamond films deposited at high-pressure using a low-power microwave plasma reactor

Diamond films were deposited on molybdenum substrates from mixtures of methane diluted in hydrogen using a high-pressure microwave plasma reactor. In this reactor, a compressed waveguide structure was used to increase the electric field strength, and accordingly the reactor was able to operate stably with low gas flow rate and microwave power. The films deposited on 12 mm diameter substrates were characterized by film morphology, Raman spectra, growth rate and crystalline quality. The morphology of diamond films deposited in this reactor depends mainly on the substrate temperature. When the deposition pressure was 48 kPa and microwave power was only 800 W, high quality diamond films could be uniformly deposited with a growth rate around 20 μm/h.