硼掺杂金刚石薄膜的制备和性能研究

通过热丝化学气相沉积法,在硅基上沉积硼掺杂金刚石薄膜,研究硼源流量对硼掺杂金刚石薄膜的导电性能、晶粒尺寸、晶面方向及残余应力等的影响。结果表明:随硼流量增加,金刚石薄膜电阻迅速降低;超过一定流量后,薄膜的缺陷和杂质增多,阻碍了电阻的进一步下降。硼流量在0~25 mL/min内逐渐升高时,金刚石薄膜平均晶粒尺寸从3.5 μm增长到8.3 μm,硼元素促进了（111）晶面的生长;硼流量继续增大到35 mL/min时,对（111）晶面的促进作用减弱,晶粒尺寸减小且晶粒表面缺陷增多而失去完整性。X射线衍射分析表明:随硼流量增加,金刚石薄膜（111）晶面和（110）晶面的衍射峰面积比,呈先增加后减少的趋势,在硼流量为20 mL/min时达到最大值;且硼掺杂金刚石薄膜残余应力为压应力。在硼源流量小于10 mL/min时,应力随流量的增加而减小;当硼流量大于30 mL/min时,应力随流量的增加而增大。      

多晶氧化铍陶瓷上金刚石薄膜的生长

采用热丝化学气相沉积(HFCVD)系统,以CH4和H2为反应气体,在多晶氧化铍陶瓷基体上沉积了金刚石薄膜.采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)和激光热物性测试仪进行检测分析,研究工艺参数对金刚石薄膜生长及膜/基复合体热学性能的影响.结果表明:随着CH4浓度的增加(或CH4浓度一定,反应气体总流量增加),金刚石晶粒尺寸逐渐减小,膜/基复合体的热导率逐渐降低;当CH4浓度为2%(体积分数),流量为30 cm3/min,压强为1.33 kPa时,沉积的膜/基复合体的热导率最高,可达2.663 W/(cm·K).     

约束式热丝CVD法制备金刚石的研究

为提高热丝CVD法沉积金刚石薄膜的生长速率,以丙酮和氢气作为反应气源,利用自制的半封闭式空间约束装置,将热丝、衬底、反应气体聚集在狭小空间内,研究不同气体流速条件下的金刚石薄膜沉积情况;使用SEM和Raman光谱表征所合成的薄膜。结果表明:采用约束式沉积法可以显著提高沉积速率,本实验在230 cm3/min（标况）气体流速下获得最大沉积速率6.31 μm/h,比未约束时增大了近一倍。随着气体流速增大,沉积速率先增大后减小;气体流速86~115 cm3/min（标况）时,晶粒尺寸为微米级;气体流速115~575 cm3/min（标况）时,晶粒尺寸减小至纳米级。Raman光谱检测显示:约束式沉积所得薄膜总体质量较好,但随气体流速增大而逐渐降低。      

高取向低粗糙度金刚石薄膜生长的研究

目的研究热丝化学气相沉积(HFCVD)工艺对金刚石薄膜生长的影响,确定影响金刚石薄膜生长的因素。方法采用热丝CVD法,以丙酮为碳源,在不同晶面的Si衬底上沉积金刚石薄膜,通过金相显微镜、X射线衍射仪分析薄膜生长特性。结果不同沉积温度下生长的金刚石薄膜表面形貌差异很大。在高、低碳源浓度下分别获得了(400)和(111)晶面取向的金刚石薄膜。采用分步沉积法,改善了成膜的效率。结论气源浓度和生长温度是影响金刚石薄膜生长的重要因素,分步沉积法对于金刚石薄膜的生长有较大影响。     

沉积参数对硬质合金基体微/纳米金刚石薄膜生长的影响

基体温度、反应压力和碳源浓度等沉积参数决定热丝化学气相沉积金刚石薄膜的性能。运用正交试验方法,研究参数对硬质合金基体金刚石薄膜生长的综合作用。采用场发射扫描电镜（FE-SEM）、原子力显微镜（AFM）和拉曼（Raman）光谱检测薄膜的形貌结构、生长速率和成分。结果表明：随着基体温度的降低,金刚石形貌从锥形结构向团簇状结构转变;低反应压力有利于纳米金刚石薄膜的生成;生长速率受反应压力和碳源浓度综合作用的影响。     

反应气体对纳米金刚石薄膜的显微力学特性影响

本文采用电子辅助增强热丝化学气相沉积(HFCVD)系统,CH4/H2、CH4/H2/Ar气体和不同比例的四种气氛制备了纳米金刚石薄膜,利用Raman光谱和原子力显微镜(AFM)表征了薄膜的结构和显微形貌,采用纳米压入测试技术测量了纳米金刚石薄膜的显微力学特性,获得了加载、卸载曲线,以及硬度和模量随压入深度的变化曲线。结果表明:薄膜具有明显的纳米结构特点,随着CH4、Ar浓度的增加,晶粒更加细化,表面粗糙度更低。无Ar气氛制备的纳米金刚石薄膜的弹性恢复较好,硬度和模量较高,CH4和Ar含量越低的制备气氛,其硬度和模量相对较高。     

铜模板微通道内CVD金刚石生长行为（英文）

主要活性基团(H,CH·3)的有效扩散与基体模板孔的深度限制了沟道或通道内金刚石的沉积。通过纳米金刚石悬浮液超声震荡加载籽晶,随后热丝化学气相沉积,在铜模板圆柱型微通道内成功制备出三维结构的金刚石膜。分别采用微区激光拉曼光谱和扫描电子显微镜表征金刚石膜,考察微通道深度对金刚石形貌、晶粒尺寸与膜生长速率的影响。结果显示:金刚石膜的质量和生长速率随微通道深度的增加而急剧下降,单个金刚石晶粒由发育完善、刻面清晰的晶粒逐渐转变为微米团簇,最后转变为球状纳米晶。为改善金刚石膜质量和提高生长速率,设计出一种气源强制输送热丝化学气相沉积装置。此外,对比分析无气源强制输送条件下金刚石的生长,并讨论气源强制输送的增强机理。     

氢气流量对大面积金刚石膜沉积的影响

为了实现大面积金刚石膜的高速均匀沉积,在新型多模微波等离子体装置中,利用微波等离子体(Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)技术,对大面积金刚石膜沉积过程中气体流场、电子密度和温度、基团分布及金刚石膜质量进行研究。流场模拟结果表明,多模MPCVD装置在高气体流量下依旧保持良好的流场稳定性。等离子体光谱结果表明,随着氢气流量的上升活性基团的强度上升。氢气流量在400 cm~3/min以内时,活性基团可在基底表面对称均匀分布。电子密度和电子温度随着氢气流量的上升先上升后下降,在500 cm3/min达到最大,分别为2.3×1019/m~3和1.65 eV。在氢气流量为300 cm~3/min时可在直径为100 mm的钼基底上实现大面积金刚石膜的均匀沉积,金刚石膜中心和边缘处拉曼光谱FWHM值为4.39 cm~(-1)和4.51 cm~(-1),生长速率为5.8μm/h。     

氮气对DC-PCVD法制备金刚石薄膜影响的研究

采用直流热阴极等离子体化学气相沉积方法,用甲烷、氢气、氮气的混合气体在Mo基底上成功制备了金刚石薄膜.分别采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)对不同流量氮气氛下生长金刚石薄膜的形貌、取向、质量进行了表征.结果表明:适量氮气的加入,不仅可以促进金刚石薄膜的生长速率,还可以促进金刚...     

YG13硼化处理后沉积气压对金刚石薄膜的影响

采用超高真空热丝化学气相沉积（HFCVD）系统,以甲烷和氢气为反应气体,在YG13（WC-13%Co）硬质合金基体上沉积金刚石薄膜。用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和X射线衍射仪（XRD）对金刚石薄膜进行检测分析,研究YG13经950℃、3h硼化预处理后沉积气压对金刚石薄膜形貌和生长织构的影响;通过压痕法比较硼化与二步法两种预处理方法对金刚石薄膜附着性能的影响。结果表明,基体经硼化预处理后表面形成CoB、CoW2B2、CoW3B3相;当沉积温度为750～800℃,碳源浓度为3.3%时,薄膜表面形貌和生长织构随着沉积气压改变有明显的变化;硼化预处理后所得样品在1500N载荷下压痕表现出良好的附着性能,较二步法预处理更加有效地改善了膜-基附着性能。     

MPCVD快速制备(100)面金刚石薄膜

利用实验室自主研发的10 kW微波等离子体装置,在直径为75 mm的(100)硅片上快速沉积高质量(100)面金刚石薄膜。实验中,甲烷浓度由1%提高至5%,金刚石薄膜的沉积速率由1μm/h增至8.2μm/h。随着金刚石薄膜生长速率的增加,薄膜质量下降,晶型杂乱,非金刚石相含量增加。在气源中加入氧气以提高高速生长下金刚石薄膜的质量。不同氧气浓度对金刚石薄膜的半高宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)有较大影响:氧气浓度为0.1%～0.5%时,金刚石薄膜的FWHM随着氧气浓度的增加而减小;0.6%～1.2%时,薄膜FWHM值随着氧气浓度的增加而增大;浓度大于1.2%时,FWHM值保持不变。在H2流量为300 cm3/min,CH4浓度为5%,O2浓度为0.5%的条件下,制备出了(100)面完整,晶型完整,有台阶生长状的金刚石薄膜。     

PECVD法制备掺硼纳米金刚石薄膜的工艺研究进展

首先详细介绍了金刚石作为半导体材料的优异性能,然后从应用角度阐述了NCD薄膜掺B后形成半导体材料的优势,接着探讨了影响NCD薄膜性能(电性能、光学性能、生物性能等)的主要工艺条件(包括硼源种类、掺硼浓度、衬底温度、后处理)。研究发现,大多数研究者都采用液态和气态硼源,而固态硼源由于很难液化且浓度不易控制而不常被采用,掺B后NCD薄膜的电阻率急剧下降,紫外波段下透过率可达51%,磁阻效应变好。另外衬底温度对BD-NCD薄膜的质量以及性能都有影响,衬底温度太高,非晶碳含量增加,金刚石质量下降;衬底温度太低,能够进入NCD晶界或晶粒的有效硼原子减少,影响其电学性能、光学性能,在最佳衬底温度工艺下的电导率可达22.3 S/cm,而在电化学性能方面,其电化学窗口可达3.3 V。而选择合适的硼源浓度对BD-NCD的电性能、光学性能、生物性能也非常关键,硼源浓度过大,BD-NCD表面粗糙度和晶粒尺寸增大;硼源浓度过小,产生空穴进行导电的B原子就少,在合适硼源浓度工艺条件下其载流子浓度可达1021 cm-3,折射率可达2.45。还有研究者对BD-NCD薄膜进行后处理工艺(退火、等离子体处理等),发现后处理对其电性能也有一定的影响。因此,选择合适的工艺对生长质量高、性能优异的NCD薄膜尤为重要。最后对BD-NCD薄膜的发展以及后续研究方向进行了展望和期待。     

高等离子体功率密度下MPCVD法制备多晶金刚石膜

通过自制的MPCVD双基片台设备,在微波功率为1 400 W保持不变及中高气压,等离子体功率密度为357.5～807.4 W/cm³,基片温度为850±30℃,CH₄体积分数为1.0%～1.5%,沉积速率为1～8μm/h条件下,在直径11.5 mm的硅基片上沉积不同质量的多晶金刚石膜,并通过光谱仪、光学显微镜、拉曼光谱仪对等离子体中的氢原子及含碳基团、多晶薄膜的形貌及质量进行表征。结果表明：随着等离子体功率密度上升,等离子体椭球中的氢原子基团和含C的活性基团强度增加,金刚石膜生长速率大幅度提高,金刚石膜纯度也大幅度提升。在气压为21 kPa,等离子体功率密度为807.4 W/cm³,基片温度为850±30℃,生长时间为150 h,CH₄体积分数为1.0%及氢气流量为200 mL/min的条件下,金刚石膜的生长速率达到5μm/h,金刚石膜厚达752.0μm,金刚石拉曼峰的半高宽为6.48 cm^-1,且生长的金刚石膜质量良好。     

低残余应力HFCVD硼掺杂金刚石薄膜的制备与图形化研究

采用拉曼光谱技术分析了不同生长气压和碳源浓度下,硅基HFCVD硼掺杂金刚石薄膜中的残余应力,并使用光刻和反应离子刻蚀技术加工出多种金刚石薄膜微结构。研究结果表明:利用热丝CVD沉积的硅基金刚石薄膜内存在残余压应力,通过优化生长气压,可以有效降低金刚石薄膜的残余压应力,在生长气压从1.3kPa增加至6.5kPa的过程中,晶格缺陷增加,残余压应力减小。碳源浓度的变化对残余应力的影响较小,但对薄膜质量影响较大。采用低残余应力的金刚石薄膜通过光刻和反应离子刻蚀获得了悬臂梁、角加速度计、声学振膜等微结构。      

二氧化碳对金刚石膜生长的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,以H₂/CH₄/CO₂为混合气源,在Si基底上沉积金刚石膜,分析了微波功率和CO₂对金刚石膜生长的影响。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、晶粒取向等信息。结果表明:适当提高微波功率,可以促进金刚石晶粒长大并提高（100）取向度;加入适量CO₂,能提高金刚石膜质量和生长速率,并保持表面形貌不会发生明显变化,但随着CO₂含量的增加,金刚石表面形貌发生较大变化,薄膜质量和沉积速率先提高后降低。      

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)。     

CO_2-CH_4沉积气氛中金刚石膜晶粒尺寸的控制研究

目的在无氢气沉积环境中研究CO_2与CH_4的流量比对金刚石膜生长及晶粒尺寸的影响规律。方法采用MPCVD技术,通过调控CO_2与CH_4的流量比,可控性地制备得到不同结构特征的金刚石膜,通过SEM、XRD以及Raman光谱对金刚石膜进行表征分析,获得CO_2与CH_4的流量比对金刚石膜晶粒尺寸的影响规律。结果在微波功率、沉积气压、基片温度和CH_4流量分别为1.2 k W、7.0 k Pa、850℃和50 mL/min的沉积环境下,当CO_2流量为20和25 mL/min时,可制备得到纳米金刚石膜;当CO_2流量为30和35 mL/min时,可制备得到微米金刚石膜;当CO_2流量为67 mL/min时,可获得金刚石颗粒。在保持其他工艺条件不变时,通过调控微波功率分别为0.9、1.4和1.8 k W,金刚石膜的晶粒尺寸随CO_2/CH_4的变化可分为:纳米金刚石膜区(CO_2/CH_4<50%)、微米金刚石膜区(CO_2/CH_4>60%)及纳米-微米过渡区(50%相似文献   

Evaluation of diamond-like carbon films deposited on conductive glass from organic liquids using pulsed current

Hydrogenated diamond-like carbon (DLC) films were deposited on conductive glass substrates from methanol, DMF and acetonitrile by liquid deposition using a pulse-modulated source. The structure of the films was characterized by XPS, Raman and IR spectroscopy. XPS showed that the main constituent of the films was carbon. Raman and IR indicated that hydrogen was contained in the films and bonded preferentially to sp³ sites. From Raman spectra of the films, we found that DLC was formed in most experimental conditions and in some uncertain areas of the films deposited in DMF (1600 V) the diamond peak was also detected. The films had high transmission ratios (>70%) in the range of 330–2000 nm with VIS/UV spectroscopy. The resistivity of the films was of the order of 10¹⁰ Ω cm.