ECR-MPCVD单晶金刚石外延生长研究北大核心CSCD

借助高速光纤光谱仪对ECR微波等离子体进行实时诊断,研究了等离子体空间分布以及工作气压和甲烷浓度对等离子体发射光谱的影响,并在ECR-MPCVD设备上研究了单晶金刚石同质外延生长工艺。在CH4/H2体系下,ECR微波等离子体与运行于中高气压下等离子体中所含基团种类基本相同。且等离子体各基团谱峰相对强度沿磁场强度梯度下降的方向减弱,在磁场共振区(875 Gs)最强,将基片台置于磁场共振区,则基片台附近各基团谱峰相对强度随气压的升高先增强后减弱,I(H_(α))、I(H_(β))、I(H_(γ))峰值在气压0.6 Pa附近,I(CH)和I(C_(2))峰值在0.8 Pa附近。保持工作气压为0.8 Pa,甲烷浓度从0.5%增加到8%的过程中,I(H_(α))几乎不变,I(H_(β))和I(H_(γ))先降低后趋于饱和,I(CH)和I(C_(2))先增强后趋于饱和;I(H_(α))/I(C_(2))先急剧下降后缓慢减小再趋于饱和,I(H_(α))/I(CH)缓慢减小并趋于饱和,I(CH)/I(C_(2))和I(H_(γ))/I(H_(β))基本不变。以微波功率1200 W,氢气流量50 mL/min,甲烷浓度3%,工作气压0.8 Pa,金刚石种晶温度800℃的条件下生长10 h,在抛光的单晶金刚石表面得到了呈台阶状生长的外延层,生长速率为200 nm/h。     

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。     

MPCVD单晶体金刚石的生长实验进展

采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）方法，在以往的实验条件上，改用CH4替代C2H5OH作为碳源，合成出单晶金刚石。使用宝石显微镜和环境扫描电子显微镜观察分析了MPCVD单晶金刚石膜的生长表面形貌。初步实验表明，在压力为12kPa，H2流量为300sccm，CH4流量为6sccm的生长环境中，可以合成出质量较好的...     

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。     

材料表面改性脉冲高能量密度等离子体研究

采用热敏纸和量热计作为诊断手段，研究了同轴等离子体枪产生的脉冲高能量密度等离子体的空间分布及其对材料表面改性的影响。结果表明，在一定的轴向距离内，等离子体束呈现轴对称截面分布，其沉积能量密度在（1．3～5）×104J／m2之间。为获得较好的表面改性结果，要求等离子体束的沉积能量密度在（2～2．5）×104J／m2范围内，并在束截面内均匀分布。同轴枪电极结构及放电电压等均对等离子体束的能量密度及其分布具有明显影响，因此可通过改变同轴枪参数，以获得所需的等离子体条件。     

MPCVD同质外延单晶金刚石研究进展

微波等离子体化学气相沉积法(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)外延单晶金刚石被认为是制备大尺寸、高质量的单晶金刚石极具前景的技术手段之一。本文首先对MPCVD同质外延单晶金刚石生长机理及最新进展做了简要介绍,然后着重阐述了MPCVD法制备大尺寸、高质量单晶金刚石在籽晶筛选与预处理、基台结构设计及生长工艺探索等方面的工作,并对MPCVD高品质单晶金刚石在力学、热学、光学及电子学等领域的应用进行了介绍,对未来单晶金刚石的应用前景进行了展望。     

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%。     

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%。     

偏压对MPCVD金刚石薄膜织构生长的影响

通过偏压激波等离子体化学气相沉积法（ＭＰＣＶＤ）成功地在Ｓｉ（１００）上生长出具有（１００）织构的金刚石薄膜。阐述了实验过程,讨论了偏压对（１００）织构金石薄膜成核与生长条件的影响,偏压有助于成核密度的提高和有利于（１００）织构生长,采用ＳＥＭ、Ｒａｍａｎ光谱等对所得榈进行了表征。     

偏压对金刚石薄生成核和生长影响的研究

利用偏压增强ＭＰＣＶＤ法成功地实现了金刚石薄膜在附有ＳｉＯ２掩膜图形的镜面抛光的Ｓｉ（１００）上的选择性织构生长,列举了最佳偏压成核与选择生长条件,ＳＥＭ和Ｒａｍａｎ光谱对所得样品进行了表征,并对偏压对选择性成核和生长的影响机制进行了探讨。     

用于MPCVD金刚石薄膜生长的高表面质量HTHP金刚石的制备

高质量的表面加工是金刚石体块和薄膜生长以及器件制备的关键.本实验利用激光切割块状HTHP金刚石,并采用激光共聚显微镜(LEXT)、拉曼光谱(Raman)及X射线光电子谱(XPS)、电子背散射衍射(EBSD)分析金刚石的表面形貌、抛光过程中表面状态的转化情况,以及抛光后金刚石的表面损伤及结晶质量.经过机械抛光和化学机械抛光,激光切割带来的表面碳化层和损伤层被有效去除,金刚石的表面粗糙度达到0.764 nm.进一步地,通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法在HTHP金刚石籽晶上沉积同质薄膜材料,获得生长条纹规则、低应力、拉曼半宽2.1 cm-1、XRD半宽仅为87arcsec的高质量金刚石薄膜.     

含硼金刚石单晶制备的研究进展

向人造金刚石中掺杂硼元素可以使金刚石获得比普通金刚石更为优异的物理和机械性能,同时还可以使金刚石具有半导体特性.国内外在含硼金刚石薄膜领域的研究较为深入,相对而言,在含硼金刚石单晶方面的研究较少,尤其是关于制备方法的研究.摸索总结出一种工艺简单、成本低廉、产品质量稳定的含硼金刚石制备方法对于丰富人造金刚石的品种,提高其品质,拓展其应用乃至从总体上提升我国人造金刚石行业的技术水平都有十分重要的意义.本文主要总结了目前国内外生产含硼金刚石单晶的七种方法,分析了他们各自的优缺点,同时简要介绍了作者所在课题组在含硼金刚石制备方法的研究方面所作的一些工作.本文指出了含硼金刚石单晶制备工艺进一步研究的方向和重点,同时对含硼金刚石单晶的应用前景作了展望.     

MPCVD二维扩大生长单晶金刚石

在MPCVD单晶金刚石同质外延生长中,为实现对等离子体的调控,进而改善单晶金刚石二维扩大生长中表面形貌的均匀性,在单晶金刚石周围放置一中间为方孔的圆形衬环即约束环。结合发射光谱、表面形貌、白光干涉测试及拉曼光谱表征结果研究了约束环的尺寸对金刚石均匀性、质量及生长速率的影响。结果表明:在其他沉积参数相同的条件下,增大约束环的直径会降低等离子体中C2基团的浓度,从而降低单晶金刚石的生长速率,但有利于获得高质量的生长面形貌。当约束环的直径从10 mm增加到14 mm时,单晶金刚石的生长速率由10.4μm/h减小到6.4μm/h,单晶生长面上的多晶及丘包状缺陷被完全抑制,拉曼光谱中位于1460 cm-1附近的波包基本消失,单晶质量显著提高。采用直径14 mm的约束环,用同一HPHT种晶的上下两面分别进行二维扩大生长实验,两个面的尺寸分别由3 mm×3 mm扩大至3.82 mm×3.89 mm及3.97 mm×4.07 mm,适当的约束环设置有利于单晶金刚石的侧向外延。     

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,...     

高品质金刚石膜微波等离子体CVD技术的发展现状

金刚石膜拥有许多优异的性能。在制备金刚石膜的各种方法之中,高功率微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法因其产生的等离子体密度高,同时金刚石膜沉积过程的可控性和洁净性好,因而一直是制备高品质金刚石膜的首选方法。在世界范围内,美、英、德、日、法等先进国家均已掌握了以高功率MPCVD法沉积高品质金刚石膜的技术。但在我国国内,高功率MPCVD装备落后一直是困扰我国高品质金刚石膜制备技术发展的主要障碍。首先综述国际上高功率MPCVD装备和高品质金刚石膜制备技术的发展现状,包括各种高功率MPCVD装置的特点。其后,回顾了我国金刚石膜MPCVD技术的发展历史,并介绍北京科技大学近年来在发展高功率MPCVD装备和高品质金刚石膜制备技术方面取得的新进展。     

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。     

大尺寸优质金刚石单晶的生长

由于基本解决了晶种法生长金刚石大单晶的若干技术问题,在我国首次生长出尺寸达3.2mm、重40mg 的优质金刚石单晶。     

含氧碳源提高金刚石膜沉积速率的研究

采用微波等离子体化学气相法合成的金刚石膜质量好，但采用常规CH4-H2反应气体体系，金刚石膜的沉积速率较慢。为此，实验研究了C2H5OH-H2、CH3COCH3-H2等含氧体系下碳源浓度、微波功率、气体压力对金刚石膜沉积速率、表面形貌、电阻率的影响。结果表明，使用C2H5OH—H2、CH3COCH3-H2等含氧体系，金...     

温度梯度法合成金刚石大单晶的研究进展

介绍了金刚石大单晶的温度梯度法合成技术,详细综述了影响金刚石晶体形貌、晶体品质以及生长速度等相关因素的最新进展,简要叙述了掺杂对金刚石晶体晶形、性能的影响,最后指出了温度梯度法合成金刚石大单晶的发展方向。