CO_2对金刚石膜结构的影响

采用微波等离子化学气相沉积法,使用甲烷、氢气和二氧化碳作为反应气氛进行金刚石膜的沉积研究。实验中通过添加并改变气体组分中CO_2/CH_4比值金刚石膜在高碳源浓度条件的可控性生长。通过Raman光谱、X射线衍射(XRD)及SEM对金刚石膜的沉积质量,生长取向及表面形貌进行表征。结果表明,在其他参数保持一致时,在高甲烷下,只改变CO_2/CH_4比值可明显改变金刚石膜的表面形貌并提高金刚石膜的质量,实现纳米、(111)面及(100)面微米金刚石膜的可控性生长。     

直流热阴极PCVD法间歇生长模式制备金刚石膜

采用直流热阴极PCVD(Plasma chemical vapor deposition)法间歇生长模式制备金刚石膜,通过加入周期性的刻蚀阶段清除金刚石膜在一定生长期中形成的石墨和非晶碳等杂质,实现了金刚石膜生长的质量调控。间歇式生长过程分为沉积阶段和刻蚀阶段,两个阶段交替进行。采用Raman光谱、SEM和XRD对所制金刚石膜的品质进行了表征,并与同样生长条件下连续生长模式制备的金刚石膜样品进行了比较。结果表明,当单个生长周期为30 min(沉积时间为20 min、刻蚀时间为10 min)时,直流热阴极PCVD法间歇生长模式制备的金刚石膜中的非金刚石相杂质含量低于连续间歇生长模式制备的金刚石膜。     

硫化锌窗口上CVD法制备金刚石膜的研究进展

金刚石具有优异的红外透过性能,可作为硫化锌红外窗口的保护膜。但由于CVD金刚石的沉积过程会刻蚀硫化锌衬底,导致在窗口表面直接生长金刚石膜比较困难。本文主要综述了近年来通过添加过渡层沉积金刚石薄膜的方法和光学焊接金刚石厚膜的方法来增强硫化锌窗口的性能,并介绍了CVD金刚石膜的光学应用及其目前所存在的问题,最后对未来CVD金刚石膜发展的方向作出了展望。     

氮气流量对金刚石膜生长的影响研究

采用电子辅助化学气相沉积法(EA-CVD)制备掺氮金刚石薄膜,研究了不同氮气流量对金刚石膜的生长速率、表面形貌和膜品质的影响.实验发现,在较低的氮气流量下,金刚石膜的生长速率增加,在较高的氮气流量下生长速率减小.利用SEM、Raman光谱、XPS等测试手段对样品的表面形貌及品质进行了表征.结果表明,当氮气流量为4sccm时金刚石膜的结晶比较完整;当氮气流量为8sccm时生成与(100)面共存的"菜花状".氮气流量的进一步增加,"菜花"表面(100)晶面显露的数量明显降低,非金刚石碳含量和氮杂质含量增加,金刚石膜的品质明显下降.     

(111)晶面同质外延生长单晶金刚石的研究

利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,在天然金刚石衬底的(111)晶面上同质外延生长单晶金刚石,研究了沉积温度、CH_4浓度以及小角度偏离(111)晶面的衬底对金刚石生长的影响。采用SEM和Raman对外延生长的金刚石进行表征,结果表明:高沉积温度、高CH_4浓度条件下,金刚石呈现出无序的多晶生长现象,随着沉积温度的降低,形貌和质量明显提高,在低沉积温度条件下金刚石表现出一致的单晶生长,但是表面形貌较为粗糙。进一步降低CH_4浓度可外延生长质量高、表面平整的单晶金刚石,速率达4.7μm/h.使用倾斜抛光方法将部分衬底面偏离(111)晶面约6°,对比实验发现,微小偏离(111)晶面的斜面衬底在高沉积温度、高CH_4浓度条件下也能生长出质量较好的单晶金刚石,生长速率明显提高,达到了9μm/h。     

由红外透过谱确定金刚石膜的光学常数及相关因素

结合金刚石膜的具体情况,考虑到色散效应、膜的微结构、表面粗糙度及样品中自由载流子和C-H的吸收等多种因素对红外透过谱的影响,在无吸收单层膜透过率模型的基础上进行了修正,给出了自支撑金刚石薄膜透过率的数学模型.并对不同制备方法和工艺参数下沉积的金刚石膜的红外透过谱用Levenberg-Mar-quardt算法进行非线性最小二乘拟合,从而确定出样品的红外光学常数和其它影响透过率的因素.这些结果对正确分析金刚石薄膜的红外光学性质是很重要的.     

直流热阴极PCVD法间歇生长模式制备透明金刚石膜

采用直流热阴极等离子体化学气相沉积(直流热阴极PCVD)方法,通过金刚石膜的间歇生长过程,引入氮原子的作用,实现对非金刚石成份的刻蚀和金刚石膜的择优取向生长,在CH4:N2:H2气氛下制备透明金刚石膜。金刚石膜的间歇式生长分为沉积阶段和刻蚀两个阶段,沉积阶段为20 min,刻蚀阶段为1 min,沉积和刻蚀通过温度的调节来实现,总的生长时间10 h;实验中主要改变的参数是N2气比例,将N2气流量与总气体流量的比例分为高、中、低三档分别进行实验。结果在CH4:N2:H2比例为2:20:180时获得了透明金刚石膜。金刚石膜样品用Raman光谱仪、SEM和XRD进行了表征,研究表明,直流热阴极PCVD间歇生长模式下,通过引入氮原子的作用,可以制备出(111)面取向的透明金刚石膜。     

多层金刚石薄膜的制备研究

利用微波等离子体化学气相沉积法,以H_2/CH_4/CO_2为混合气源,在Si基底上分别沉积了单层微米、纳米以及三层(膜层结构为微米层(MCD)/纳米层(NCD)/微米层(MCD))金刚石薄膜。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、晶粒尺寸等信息。结果表明:微米金刚石晶薄膜粒粗大,表面粗糙,纳米金刚石薄膜晶粒细小,表面平整,生长过程中控制反应参数,可以制备出多层金刚石膜,三层结构的引入,可以明显降低表面粗糙度。     

红外光学材料硫化锌衬底上沉积金刚石膜的研究

采用微波等离子体化学气相沉积法,在预镀陶瓷过渡层的硫化锌衬底上沉积金刚石膜。在以前的实验中,我们发现在陶瓷过渡层上沉积金刚石膜极其困难,但采用金刚石诱导形核方法后,我们已经在过渡层／硫化锌试样表面获得了很小面积（约1mm宽的环状区域）的金刚石形核。本文对前期的诱导形核工作进行了一定改进,目前已经使形核生长范围大大增加,沉积面积超过原来10倍。此外,本文对金刚石／过渡层／硫化锌试样的红外透过特性以及金刚石膜质量等进行了评价。     

用于高频声表面波器件的CVD金刚石衬底的研究

使用纳米金刚石粉研磨工艺预处理硅片衬底抛光面,在低气压成核的条件下,以丙酮和氢气为反应物,采用传统的热丝辅助化学气相沉积法,制备了自支撑金刚石膜;通过射频磁控溅射法沉积氧化锌薄膜在自支撑金刚石膜的成核面,形成氧化锌/自支撑金刚石膜结构.通过光学显微镜、扫描电镜及原子力显微镜测试自支撑金刚石膜成核面的表面形貌.研究结果表明:成核期的低气压有助于提高成核密度,成核面表面粗糙度约为1.5 nm;拉曼光谱显示1334 cm-1附近尖锐的散射峰与金刚石SP3键相对应,成核面含有少量的石墨相,且受到压应力的作用;ZnO/自支撑金刚石膜结构的XRD谱显示,氧化锌薄膜有尖锐的(002)面衍射峰,是c轴择优取向生长的.     

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。     

人工干预二次形核研究

采用直流热阴极PCVD技术,在CH4-H2气氛常规制备微米晶金刚石膜的参数条件下,通过人工干预实现二次形核,制备纳米晶金刚石膜.金刚石膜周期性生长过程分为沉积阶段和干预阶段,沉积阶段时间为20 min,干预阶段将沉积温度降低到600℃,时间为1 min,然后恢复到生长温度,一个生长周期为21 min,总的沉积时间为6h.实验分为高、低气压和高、低温度的四种组合,并与连续生长模式进行了对比.采用拉曼光谱仪、SEM对样品进行了分析,除高气压和高温度条件外,其它三组实验的金刚石膜的1332 cm-1拉曼峰展宽明显、金刚石膜晶粒小于100 nm,样品都具有纳米晶特征.结果表明直流热阴极PCVD技术的人工干预方法,可以导致金刚石膜生长过程的二次形核行为发生,制备出纳米金刚石膜.     

乙醇对金刚石膜生长特性的影响

采用EA-CVD(Electron Assisted Chemical Vapor Deposition)方法制备金刚石厚膜,在反应气体(CH4+H2)中添加乙醇,在保持其它条件不变的情况下研究了不同乙醇流量对金刚石膜生长的影响.利用拉曼光谱和SEM等测试方法对金刚石膜进行了表征,证实乙醇电离时产生的氢氧键对金刚石有很强的刻蚀作用.在沉积过程中向系统中加入乙醇对金刚石膜表面形貌有显著的影响,适量的乙醇有利于提高膜品质和生长速率,但过量的乙醇会导致对金刚石表面的刻蚀加剧,使金刚石膜的生长受到抑制.     

金刚石自支撑膜的高温红外透过性能

由于金刚石具有低吸收和优异的力学与导热性能使其成为长波(8~12μm)红外光学窗口材料的重要选择。对于许多极端条件的应用,化学气相沉积(CVD)金刚石自支撑膜的高温光学性质至关重要。应用直流电弧等离子喷射法制备光学级金刚石自支撑膜进行变化温度的红外光学透过性能研究,采用光学显微镜、X射线衍射、激光拉曼和傅里叶变换红外-拉曼光谱仪检测CVD金刚石膜的表面形貌、结构特征和红外光学性能。结果表明:在27℃时金刚石膜长波红外8~12μm之间的平均透过率达到65.95%,在500℃时8~12μm处的平均透过率为52.5%。透过率下降可分为3个阶段。对应于透过率随温度的下降,金刚石膜的吸收系数随温度的升高而增加。金刚石自支撑膜表面状态的变化,对金刚石膜光学性能的影响显著大于内部结构的影响。     

间歇生长模式高甲烷浓度制备纳米金刚石膜

采用直流热阴极PCVD技术,经过生长温度的周期性调整,达到清除多余游离碳和刻蚀非金刚石相的目的,实现了在高甲烷浓度条件下制备纳米金刚石膜.金刚石膜的生长过程分为沉积阶段和刻蚀去除阶段,沉积时间为15min,刻蚀时间为5min,生长周期为20min,总的沉积时间为6h.采用拉曼光谱仪、SEM和XRD分析仪对样品进行了分析,结果显示样品具有纳米金刚石膜的基本特征.研究表明,在高甲烷浓度条件下,直流热阴极PCVD间歇生长模式可有效去除生长腔内的游离碳成分,实现正常放电激励,维持正常生长,制备出纳米金刚石膜.     

高气压下温度对金刚石膜择优取向的影响

采用自主改进的圆柱谐振腔式MPCVD装置,以H2-CH4为气源、反应腔压强30kPa、微波功率6kW、CH4浓度2%,在不同的沉积温度下进行了多晶金刚石膜的制备研究。采用扫描电镜、X-射线衍射技术对所制备样品的表面形貌、物相及晶面取向进行了分析。结果表明,在高气压条件下,沉积温度由800℃升高至900℃时,金刚石膜的表面形貌由(111)晶面择优取向逐渐转向(100)晶面择优取向;沉积温度由900℃升高至1050℃时,金刚石的表面形貌由(100)晶面择优取向逐渐转向(111)晶面择优取向。     

电子回旋共振微波等离子化学气相沉积金刚石薄膜

采用国内研制的电子回旋共振化学气相沉积设备(ECRCVD),在单晶硅片上沉积出了金刚石薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM),X 射线衍射仪(XRD),激光拉曼谱仪(RAM)的测试,证明所沉积的薄膜具有明确的金刚石特征。所采用的 ECRCVD 设备,具有可以低压沉积、大面积均匀生长以及低温生长的优点。这种方法在合成金刚石光学膜,半导体膜以及其它薄膜方面有重要的应用前景。     

SiC在异质衬底生长金刚石膜的作用分析

利用扫描电子显微镜 (SEM)、Raman光谱分析了Si衬底上金刚石膜核化和生长的过程 ,并着重分析了核化过程产生的SiC的性能。利用划痕法测量了在WC衬底上沉积SiC和未沉积SiC时生长金刚石膜的粘附力 ,同时还分析了WC衬底上有和没有SiC沉积层时表面附近金刚石膜的内应力。结果表明 ,SiC层大大地增强了含碳粒子的聚集和金刚石膜与衬底之间的粘附性 ,降低了金刚石膜与衬底之间的内应力     

DC-HCPCVD法高CH4流量下纳米金刚石膜的制备及生长特性研究

在CH4/H2气氛下,利用直流热阴极PCVD(plasma chemical vapor deposition)设备,在高CH4流量下制备纳米金刚石膜.对制备的样品通过扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪对其进行表征.结果表明:随着CH4流量的增加,晶粒尺寸明显减小,表面变得更加平滑,但非金刚石相增多,膜的品质下降.同时CH4流量增加,促进了(110)面的生长,当CH4流量达到12 sccm,具有(110)方向的择优取向.     

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。