高速生长CVD金刚石单晶及应用

文章简要地介绍了近年来国内外CVD金刚石单晶的高速生长和应用进展.实验中采用微波等离子体化学气相沉积(CVD)方法,同质外延高速生长金刚石单晶,通过改变反应腔压强、反应气氛(在CH4／H2中引入氮气N2、二氧化碳CO2、氧气O2、)等,调制单晶生长速率、质量、颜色、表面粗糙度、光谱等特性.利用高温氢等离子体进行退火,可使金刚石单晶的颜色有很大的改善.研制了CVD金刚石单晶刀具,用于金属材料的曲面镜面加工.     

单晶金刚石膜与多晶金刚石膜的制备工艺及性能

本文主要介绍了用微波等离子体化学气相沉积法(以下简称MP CVD法)以甲醇-氢气混合气和丙酮-氢气混合气为源气体,分别以单晶硅的(111)面和人造金刚石的(100)面为衬底材料,制备出了面积为20mm×20mm厚为10μm的多晶金刚石膜和面积为1.0mm×1.0mm厚为5μm的单晶金刚石膜。通过试验发现,源气体配比和衬底温度对薄膜质量起决定性作用。另外,衬底在反应腔中的位置对薄膜的生成也有很大影响。单晶金刚石膜制备过程中衬底金刚石的晶体取向与金刚石薄膜的生长及质量有密切的关系。在金刚石的(100),(110)和(111)面上分别获得了单晶金刚石膜和金刚石多晶粒子。选用扫描电镜、显微激光拉曼、反射电子衍射对多晶金刚石膜及单晶金刚石膜的性能进行了测试。     

金刚石/氧化锌透明异质结的研制

利用化学气相沉积和磁控溅射方法制备了透明金刚石薄膜／氧化锌异质结。首先,在金刚石单晶表面外延生长1层透明p型半导体金刚石薄膜,然后在金刚石薄膜上利用反应磁控溅射方法制备出n型透明氧化锌半导体薄膜;进而利用溅射、光刻等方法制备出欧姆接触电极,获得了金刚石／氧化锌透明异质pn结。该结呈现典型的二极管伏安特性曲线,开启电压为1．0V。在500～700nm波长范围内,该结的透过率达到20％。     

基于金属催化等离子体刻蚀的MPCVD单晶金刚石生长缺陷调控

单晶金刚石作为一种性能优异的半导体材料，在功率器件、深空探测等领域具有广阔的应用前景。然而采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的单晶金刚石通常含有大量的缺陷，尤其是位错，严重限制了其电学性能的发挥。横向外延生长是半导体材料中常用的缺陷调控方法，近年也被应用于金刚石材料制备领域。本研究首先通过金属催化等离子体刻蚀在单晶金刚石籽晶上构造图形阵列，从而为同质外延单晶制备创造横向生长条件；随后通过MPCVD法在此基础上进行单晶金刚石制备，研究了横向外延生长过程并对样品进行了激光共聚焦显微镜、偏光显微镜、Raman光谱和缺陷密度测试。测试表明该方法能够稳定可控的制备图形化生长所需的阵列并降低生长层的缺陷密度。     

MPCVD法同质外延生长单晶金刚石技术概述

单晶金刚石具有极其优异的性质,如高热导率、高载流子迁移率和高的击穿电压,是制作高可靠性、高稳定性微波功率器件和探测器的理想材料,金刚石基器件可以应用于高温、高功率、强辐射的恶劣环境中。针对金刚石在电学领域与探测领域的潜在应用价值,发展高品质金刚石单晶生长技术尤为重要,而金刚石应用的首要问题是解决单晶和成本的问题。微波等离子化学气相沉积是实现低成本、大尺寸单晶金刚石生长的有效技术。对于如何提高单晶金刚石的生长速率,如何获得高质量、大尺寸单晶金刚石的问题,本文阐述了国内外微波等离子化学气相沉积法同质外延生长单晶金刚石技术研究方面取得的重要突破,详细介绍了提高MPCVD单晶金刚石沉积速率、金刚石晶片剥离技术、金刚石晶体三维生长扩大尺寸、金刚石单晶"马赛克"生长技术。     

氢氧刻蚀对硼掺杂单晶金刚石质量的影响

本文利用微波等离子体化学气相沉积法,在未经过刻蚀处理以及经过氢氧刻蚀处理过的单晶金刚石籽晶上进行硼掺杂外延生长,目的是证明刻蚀处理对硼掺杂单晶金刚石生长形貌与质量的影响。     

直流电弧等离子体喷射法生长大尺寸金刚石单晶

化学气相沉积(CVD)大尺寸高质量金刚石单晶是近年来在CVD金刚石膜研究领域所取得的重大研究进展之一。迄今为止的研究,绝大多数都是采用微波等离子体CVD,在高腔压下(10~30kPa)进行的。这是因为,在高腔压下,微波等离子体球急剧收缩,从而能够提供高质量金刚石外延生长所需要的高原子氢浓度。借助电弧放电的极高温和旋转电弧设计,直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet)能够在更大衬底面积范围提供可与之相比拟的原子氢浓度,因此有可能成为一种低成本的CVD金刚石外延生长方法。文章介绍了近年来采用高功率直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet)生长大尺寸、高质量金刚石单晶的初步研究结果,并介绍了已经取得的进展和存在的问题,以及对未来的展望。     

氮对MPCVD单晶金刚石生长与含量研究进展

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备高纯单晶金刚石的首选方法。然而因为氮原子的半径与碳的原子半径相近,容易成为单晶金刚石生长层中的主要杂质,是阻碍MPCVD单晶金刚石推广应用的原因之一。经过国内外研究团队的对氮与MPCVD单晶金刚石的生长与氮杂质含量控制研究取得了一些结果。但是除此之外还需要解决氮掺杂提速与控制单晶金刚石生长层中氮杂质含量的控制统一问题,才能实现MPCVD单晶金刚石的高端领域应用。     

高温高压法金刚石单晶同质外延

文章概述了高温高压法金刚石单晶同质外延的基本方法,重点介绍了合成工艺设计对最终产品的影响。有关传压介质标准粉在大单晶同质外延中的应用特点及金刚石大单晶的高温高压同质外延工艺设计是文章的重点。     

基于富勒烯液态源的超纳米晶金刚石薄膜生长

通过微波等离子体化学气相沉积技术(MWPCVD),以富勒烯(C60)甲苯饱和溶液为碳源,用载气携带的方式通入反应腔中生长金刚石膜。Raman光谱、SEM和AFM表征结果表明得到的超纳米晶金刚石薄膜相组成纯度较高,其平均晶粒尺寸约为15 nm,表面粗糙度为16.56 nm,薄膜平均生长速率约为0.6μm/h。此方法较其他以C60为碳源生长超纳米晶金刚石薄膜的方法更为简便,且容易控制富勒烯碳源的浓度,沉积速率更高,是一种新型的制备超纳米晶金刚石薄膜的可控工艺方法。     

温度对直流热阴极化学气相沉积硼掺杂金刚石薄膜的影响(英文)

为了获得高品质的硼掺杂金刚石薄膜,采用直流热阴极化学气相沉积法在不同的温度下制备了硼掺杂金刚石薄膜。利用等离子体发射光谱、扫描电子显微镜、X射线衍射和Raman光谱研究了温度对硼掺杂金刚石薄膜生长特性的影响。研究发现:等离子体活性基团 C2的浓度随温度升高而增加。除了1080℃时生长的薄膜存在孔洞外,在较宽的温度范围(800～1000℃)都能够生长高质量的硼掺杂金刚石薄膜,并随温度升高薄膜质量和晶体结晶度都有所提高。与未掺杂生长的金刚石薄膜相比,掺硼薄膜即使在较低的温度(800℃)时也没有出现非金刚石相。这主要是因为掺杂剂B(OCH3)3 在气相反应中能够生成含氧活性基团,对非金刚石相具有很强的刻蚀作用。     

高温高压Fe-Ni-C-B系中含硼金刚石单晶合成机理研究(下)

采用现代材料分析测试方法,通过对高温高压Fe-Ni-C-B系合成出的含硼金刚石单晶及其金属包覆膜进行系统分析和表征,探寻含硼金刚石合成机理及生长机制。研究发现,添加在金属触媒中的硼以金属-碳-硼化合物的形式溶入金属包覆膜,作为含硼金刚石生长的直接碳/硼源,经金属中间相的催化,析出活性碳/硼原子(团)扩散至正在生长的金刚石单晶表面,促进金刚石的生长。而含硼金刚石则以一种层状生长的方式长大,这种层状生长的台阶来源前期以二维晶核为主,后期则以位错为主。活性碳/硼原子(团)扩散到达金刚石单晶表面,在生长台阶的前端被吸附,转变成为金刚石单晶的一部分。随着台阶的不断扩展,新的生长台阶在刚长成的晶面上继续形成,含硼金刚石单晶则以层状堆叠的方式完成长大过程。     

CVD金刚石新近应用探析(工业金刚石战略发展思考之二)

概述工业金刚石从天然金刚石到HPHT金刚石再到CVD金刚石的发展。对比分析聚晶质CVD金刚石和单晶质CVD金刚石的力学性质与电子学性质。介绍聚晶质和单晶质CVD金刚石的新近应用,涵盖复合材料、医疗、电化学、热控技术、微电子机械系统(MEMS)、光学、电子学和声学等领域。阐述超纳米结晶金刚石(UNCD)的特性及其在MEMS、生物传感器、机械密封件与耐磨层以及超光滑金刚石薄膜应用的优异性能。     

CVD法制备单晶金刚石的现状及研究进展

单晶金刚石因其独特结构而具有优异的物理化学性能,在许多科学技术领域具有潜在的重要应用价值,被广泛应用于工业、科技、国防、医疗卫生等众多领域。用化学气相沉积法实现高沉积速率、高质量、大面积的金刚石单晶的制备是目前研究的热点。本文对化学气相沉积法制备单晶金刚石的机理进行了分析,对比了化学气相沉积法合成金刚石的几种主要方法,总结了其优缺点,在已有研究工作和生产经验的基础上提出了合理化的建议,为单晶金刚石的产业化提供有价值的参考。     

单晶硅衬底异质外延3C-SiC薄膜研究进展

3C-SiC薄膜的外延生长一直是SiC材料制备领域的一个热点,单晶Si衬底异质外延3C-SiC是实现大尺寸、低成本薄膜的有效方法,备受人们关注.单晶Si与3C-SiC之间存在较大的晶格失配(20％)和热膨胀系数差异(8％),严重制约着高质量单晶薄膜的制备.本文对单晶Si衬底异质外延3C-SiC薄膜的基本原理和工艺过程进行了总结,着重介绍了薄膜生长中的缺陷和可控掺杂方面的研究进展以及面临的挑战,并对今后的研究热点做了归纳展望.     

高品级金刚石大单晶的合成及应用

简要叙述了高品级金刚石大单晶的合成方法及生长特性。分析了高品级金刚石大单晶的镜面加工机理及在制作单晶金刚石刀具时所占的优势。并进一步阐述了单晶金刚石刀具的加工特性及在精密和超精密切削领域中所占的地位。     

甲烷浓度对金刚石薄膜(100)织构生长的影响

以H2和CH4的混合气体为气源,用微波等离子体辅助化学气相沉积法(MPECVD)在1 cm×1 cm S i(100)基体上沉积了金刚石薄膜。研究了不同的甲烷浓度对金刚石薄膜(100)织构生长趋势的影响。分别采用扫描电子显微镜(SEM),Ram an光谱对金刚石膜的表面形貌、质量进行了分析。结果表明,当基体温度为750℃,气压为4.8×103Pa,甲烷浓度为1.4%时,薄膜表面为(100)织构。     

微波等离子CVD法在石英玻璃上生长金刚石薄膜

用X射线衍射、Raman谱和光电子能谱对石英玻璃上的金刚石薄膜进行分析,对于难用化学气相沉积在玻璃上生长金刚石薄膜的原因提出了一种解释.     

金刚石薄膜的表面成分和形貌对表面能的影响

采用微波等离子体化学气相沉积法制备了(111)面和(100)面金刚石薄膜。测量了金刚石薄膜与液体的接触角、金刚石薄膜表面粗糙度和电阻率。通过扫描电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱研究了金刚石薄膜的表面纯度和形貌等对表面能的影响。结果表明:金刚石纯度越高、表面粗糙度越大、晶粒尺寸越小,其表面能越大。经过空气等离子体后处理的金刚石薄膜的纯度和亲水性明显提高。随着在空气中放置时间的增加,亲水性逐渐减弱。在空气中放置相同时间,O2等离子体后处理的金刚石薄膜比H2等离子体后处理的金刚石薄膜亲水性好。     

CVD金刚石薄膜技术发展现状及展望(下)

简要描述了CVD金刚石薄膜技术的发展历程。介绍了纳米特别是超纳米金刚石膜、CVD金刚石大单晶的技术特点及其应用。超纳米金刚石膜在MEMS(微机电系统)、电化学和生物医学上的应用和CVD金刚石大单晶是当前的研究热点。简言之,金刚石的发展向着更大或者更小的方向深入进行,即"非大即小"。