圆柱谐振腔式微波等离子体金刚石膜CVD沉积室的FDTD模拟与优化

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备高质量金刚石膜的一种最重要的技术手段。对微波等离子体金刚石膜沉积装置进行模拟与优化,可大大减少设计和改进MPCVD装置时所需要的时间与成本。本文在结合使用谐振腔质量因子和沉积台上方等离子体的密度与分布两个优化判据的基础上,采用Matlab语言和时域有限差分方法,模拟了圆柱谐振腔式微波等离子体金刚石膜沉积装置,并对其主要尺寸进行了优化。     

微波等离子体化学气相沉积系统谐振腔研究

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法是目前最有发展前景的高质量金刚石薄膜沉积方法之一,但由于谐振腔中微波与等离子体之间强烈的相互作用,人们很难根据经验对谐振腔进行改进,本文利用HFSS软件对不锈钢式MPCVD的谐振腔进行了模拟,通过分析谐振腔内电场以及等离子体的分布,对谐振腔的主要参数进行了优化处理,并根据模拟结果设计出谐振腔系统,在一定条件下,沉积出了优质的金刚石膜,沉积速率可达到0.33 μm/h.     

新型MPCVD沉积模式制备高均匀性的D100 mm金刚石薄膜

频率为2.45 GHz的微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置能够沉积直径超过60 mm的金刚石薄膜,但由于MPCVD技术中等离子体的半球形分布特点,很难保证沉积出均匀性好的大尺寸薄膜,调整等离子体分布可以在一定程度上解决这一问题。基于数值模拟的研究发现,衬底边缘悬空产生的间隙能够形成空心阴极放电,提高边缘薄膜的沉积率,优化均匀性。检测结果表明,D100 mm金刚石薄膜上80个点的厚度方差值从4.5×10^-4降低到5.0×10^-5,证明薄膜的均匀性得到提高。金刚石薄膜表面热应力分布更均匀,厚度极值差从70μm降低到30μm,从而降低了薄膜在研磨抛光中产生裂纹的可能性。在较低的沉积压力下,薄膜生长的均匀性和质量均有提升,极值差只有10μm。     

圆柱谐振腔式MPCVD装置中氢、氩微波等离子体分布规律的数值模拟

在使用简化的等离子体放电模型的基础上,模拟了圆柱谐振腔式微波等离子体沉积室中,不同金刚石膜生长条件下微波等离子体的分布状态。在模拟中,针对纳米金刚石的生长环境,就纯氩气反应气体中,不同的输入功率、不同气体压力条件下,沉积室中形成的等离子体分布的变化规律进行了模拟,将其与一般氢气气氛下的相应模拟结果相对比。模拟所获得的结果,对微波等离子体方法沉积金刚石膜的操作环境的优化,有着一定的指导意义。     

微波等离子化学气相沉积金刚石膜新型微波谐振腔设计

提出新型微波谐振腔用于化学气相沉积金刚石薄膜,腔体有效体积可以调节,采用环形介质窗口,置于沉积基台的下方,允许产生较大并且温度较高的等离子体。同轴内导体与沉积台相连接,微波从谐振腔底端传输经同轴导体耦合进入腔体。采用有限元的方法优化谐振腔的尺寸,使其能耦合进更大的微波能量,优化后,最大电场区域位于沉积台上方,并且均匀分布,在腔体内其它区域和介质窗口附近电场强度则很小,满足设计要求。采用时域有限差分法模拟了谐振腔在一定微波输入功率下产生等离子体的特性,并对设计的谐振腔进行试验研究,实验观察到的等离子体位置与模拟结果一致。     

一种用于金刚石膜沉积装置的重入式微波谐振腔

微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)是制备高品质金刚石膜的重要方法,而MPCVD技术的关键是其设备核心部件谐振腔的设计。本文基于目前广泛应用的圆柱式和椭球式两种MPCVD谐振腔中微波传输的特点和其各自的优点,提出了一种重入式微波谐振腔的设计构想,并利用数值模拟的方法对这一构想进行了验证。模拟的结果表明,微波在重入式微波谐振腔内外壁之间的路径传输后,可在金刚石膜沉积台处形成一最强且相对均匀的电场。在相同的输入功率下,其形成的最大电场强度高于圆柱式和椭球式两种谐振腔时的情况。由于重入式的微波谐振腔具有结构简单、频率易于调节的优点,因而这一构想可为设计制造新型的MPCVD金刚石膜沉积设备提供参考依据。     

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.     

分体圆柱谐振腔法用于金刚石膜微波介电性能测试的研究

针对金刚石膜微波介电损耗低、厚度薄带来的微波介电性能测试难点, 研制了一台分体圆柱谐振腔式微波介电性能测试装置。利用不同直径的蓝宝石单晶样品, 用上述装置对低损耗薄膜类样品微波介电性能的测试能力及样品直径对测试结果的影响进行了实验研究。在此基础上, 使用分体圆柱谐振腔式微波介电性能测试装置对微波等离子体化学气相沉积法和直流电弧等离子体喷射法制备的高品质金刚石膜在Ka波段的微波介电性能进行了测试比较。测试结果表明, 由Raman光谱、紫外-可见光谱等分析证明品质较优的微波等离子体化学气相沉积法制备的金刚石膜具有更高的微波介电性能, 其相对介电常数和微波介电损耗值均低于直流电弧等离子体喷射法制备的金刚石膜。     

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。     

微波功率对掺氮纳米金刚石薄膜组成、结构及性能的影响

以CH4和CO2作生长金刚石薄膜的反应气体,以Ar作载气将三聚氰胺甲醇饱和溶液带入沉积室内作氮掺杂源,用微波等离子体化学气相沉积法在单晶硅衬底上制备出掺氮纳米金刚石薄膜。通过拉曼光谱、原子力显微镜、霍尔效应研究了掺氮纳米金刚石薄膜的组成、结构和导电性能,重点研究了微波输入功率对薄膜特性的影响。结果表明,制备的掺氮纳米金刚石薄膜具有良好的电子导电性,且随着激发等离子体微波功率的增大,其晶粒尺寸、晶界宽度、表面粗糙度和电导率增大,在最佳微波功率条件下制备出电子电导率高、材料质量好的纳米金刚石薄膜。     

微波等离子体化学气相沉积方法制备纳米金刚石薄膜

为了制备出大面积均匀连续的纳米金刚石薄膜,并探索温度、气氛等条件对最终生长出的纳米金刚石薄膜样品的影响,使用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法,改变CH_4、H_2、Ar气体比例以及衬底温度,在不同生长条件下制备了5组金刚石薄膜样品。5组样品分别使用ESEM和拉曼光谱进行成膜质量、形貌、结构以及组分的表征,分析了不同薄膜的成因和工艺参数的影响,并提出了进一步优化的方向。     

等离子体稳定性对曲面金刚石膜生长的影响

采用直流等离子体喷射化学气相沉积(DCPJCVD)制备曲面金刚石膜,等离子体稳定性对金刚石膜生长十分重要。研究表明,曲面金刚石膜长时间生长,阳极积聚石墨碳点,等离子体流动受阻失稳,金刚石膜含较多杂质。通过对阳极除碳处理,可维持稳定的等离子体、稳定的电子温度Te、均匀的活性原子及原子基团密度。制备的金刚石膜经SEM、Raman等表征,发现曲面金刚石膜致密、晶粒均匀,仅发现金刚石特征峰,制备的曲面金刚石膜质量较高。     

微波等离子体CVD制备金刚石薄膜的宏观参数讨论

本文研究了微波等离子体化学气相沉积制备金刚石薄膜的宏观控制参量对成核和生 长过程的影响．过高的碳源浓度、低的衬底温度不利于金刚石膜的生长．在金刚石膜的 成核和生长期采用不同的条件，生长出晶形较好的金刚石薄膜。     

CVD金刚石薄膜抛光技术的研究进展

采用化学气相沉积 (CVD)方法在非金刚石衬底上沉积的金刚石薄膜 ,本质上为多晶 ,而且表面粗糙。然而 ,在金刚石薄膜的许多重要应用领域 ,如光学和电子学 ,都要求金刚石薄膜具有光滑表面 ,以便器件的制备或后续加工。本文论述了目前国际上出现的抛光CVD金刚石薄膜的主要方法 ,包括机械抛光法、热 化学抛光法、化学 机械抛光法、等离子体 /离子束抛光法以及激光抛光法等 ,深入分析了这些抛光方法的优点和不足 ,指出了今后需要重点解决的问题。最后 ,展望了CVD金刚石薄膜抛光技术的发展趋势     

甲烷浓度对金刚石薄膜质量的影响

纳米金刚石薄膜具有优异的性能,已在多个领域获得广泛应用.但微波等离子体化学气相沉积制备的金刚石薄膜质量却严重受沉积工艺的影响,为了深入了解沉积工艺对制备的金刚石薄膜质量的影响,本文详细研究了甲烷浓度对微波等离子体化学气相沉积( MPCVD)金刚石薄膜质量的影响,利用扫描电镜、X射线衍射、拉曼光谱以及原子力显微镜对其进行...     

化学气相沉积法制备超纳米金刚石薄膜

采用微波等离子体化学气相沉积法,利用CH4、SiO2和Ar的混合气体在单晶硅片基底上制备出高质量的超纳米金刚石薄膜.表征结果显示,制备的薄膜致密而均匀,晶粒平均尺寸约7.47nm,表面粗糙度约15.72nm,并且其金刚石相的物相纯度相对较高,是质量优异的超纳米金刚石薄膜材料.     

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。     

MPCVD金刚石膜装置的研究进展

微波等离子体(MPCVD)法因其独特的优势,成为高速、大面积、高质量制备金刚石膜的首选方法,MPCVD金刚石膜装置的研究受到科研人员和工业界的广泛关注。文章对金刚石膜的性质和各种制备方法进行了简要概述,论述了CVD金刚石膜的生长机理,着重阐述了各种MPCVD装置的结构特点及工作原理,并对各种装置的优、缺点进行了分析。研究结果表明:研制具有高品质因数谐振腔能激发均匀微波等离子体的MPCVD装置,是进一步开发金刚石膜工业化应用所需解决的主要问题。     

掺硼对超纳米金刚石薄膜的影响

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术,利用氩气、甲烷、二氧化碳混合气体,制备出平均晶粒尺寸在7.480 nm左右,表面粗糙度在15.72 nm左右的高质量的超纳米金刚石薄膜;在此工艺基础上以硼烷作为掺杂气体,合成掺硼的金刚石薄膜.表征结果显示在一定的浓度范围内随着硼烷气体的通入,金刚石薄膜的晶粒尺寸及表面粗糙度增大、结晶性变好,不再具有超纳米金刚石膜的显微结构和表面形态;同时膜材的物相组成也发生改变,金刚石组份逐渐增多,并且膜层内出现了更明显的应力以及更好的导电性能.     

氨热法生长大GaN晶体展望

宽带隙Ⅲ族氮化物（AIN,GaN和InN）器件工艺进展比其大尺寸体单晶材料生长快得多。由于缺乏热和晶格匹配衬底,影响了低成本、低缺陷（低损耗）器件的生产。一个有希望的批量生产大尺寸Ⅲ族氮化物单晶的方法是高压条件下利用超临界氨的氨热技术。已用水热法生长出直径3英寸（0001）ZnO晶体。最近,首次用氨热法生长出直径1英寸（0001）GaN晶体。