电子助进化学气相沉积金刚石中发射光谱的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法，对源料气体为CH4/H2混合气的电子助进化学气相沉积（EACVD）中 的氢原子(H)、碳原子(C)以及CH基团的发射过程进行了模拟.研究了CH4浓度、反应室气压 和衬底偏压等工艺参数对发射光谱及成膜的影响.研究发现，CH基团可能是有利于金刚石薄 膜生长的活性基团，而碳原子不是；偏压的升高可提高电子平均温度及衬底表面附近氢原子 的相对浓度；通过氢原子谱线可测定电子平均温度并找到最佳成膜实验条件.该结果对EACVD 生长金刚石薄膜过程中实时监测电子平均温度，有效控制工艺条件，生长出高质量的金刚石 薄膜具有重要的意义. 关键词： 蒙特卡罗模拟 金刚石薄膜 发射光谱     

EACVD金刚石薄膜中氢分解过程的研究

采用蒙特卡罗方法模拟了电子辅助化学气相淀积（EACVD）金刚石薄膜中的氢分解过程,建立了电子碰撞使氢分解的模型,给出了电子能量分布及氢原子数的空间分布,讨论了电偏压和气压对氢分解的影响。这些结果对EACVD制造金刚石薄膜的研究有重要意义。     

氢原子谱线测定EACVD中电子平均温度

采用蒙特卡罗方法,对以CH₄/H₂混合气体为原料气体的EACVD中氢原子的发射过程进行了模拟。在模拟中考虑了电子与H₂的弹性碰撞及振动激发、分解、电子激发、相应于H_α, H_β, H_γ谱线的激发、电离及分解电离等非弹性碰撞过程;与CH₄的碰撞考虑了弹性动量传输及振动激发、分解、电子激发、电离及分解电离等非弹性碰撞过程。研究了不同CH₄浓度下基片表面上电子平均温度与氢原子谱线相对强度的关系,给出了一种对EACVD中电子平均温度进行实时监测的方法。对于有效控制工艺条件,生长出高质量的金刚石薄膜具有重要意义。     

CH基团与金刚石(111)面的碰撞反应及其对碳膜生长的影响

等离子体增强化学气相沉积技术中的碳膜选择性自组装机理是高性能碳膜制备过程中的挑战性基础课题.采用经典分子动力学方法,模拟了不同能量(1.625-65 eV)的CH基团在清洁金刚石和吸氢金刚石(111)面上的轰击行为,获得了吸附、反弹、反应等各类事件的发生概率,并据此探讨了含氢碳膜制备过程中CH基团的贡献.结果表明,随着入射能量的增加,CH基团对薄膜生长的贡献由单纯的吸附、反弹机理向反应、吸附混合机理转变,其中最主要的反应过程是释放一个或两个氢原子的反应,而释放氢分子的反应则很少发生.这些反应不仅使薄膜生长过程更均匀、薄膜表面更平整,还降低了薄膜的氢含量.生长机理的转变导致低能量条件下所成薄膜中的多数碳原子都包含一个氢原子作为配位原子,而高能量条件下的薄膜中的碳原子则很少有氢原子作为配位原子.另外,通过分析sp~3-C和sp~2-C数目的变化,研究了CH基团对金刚石基底的破坏作用.     

EACVD中的Hα谱线与最佳生长条件

采用蒙特卡罗方法,模拟了CH4/H2混合气体为源气体的EACVD中的氢原子发射过程。考虑了电子与H2的弹性碰撞及振动激发、分解、电子激发、相应于Hα,Hβ,Hγ谱线的激发、电离及分解电离等非弹性碰撞过程;与CH4的碰撞考虑了弹性动量传输及振动激发、分解、电子激发、电离及分解电离等非弹性碰撞过程。研究了不同实验条件下产生的H,CH3的数目与Hδ谱线强度的关系,给出了一种通过Hα谱线来推断生长金刚石薄膜的最佳实验条件的方法。     

氢原子谱线与高质量金刚石薄膜

采用蒙特卡罗方法,对以CH₄/H₂混合气体为源气体的电子助进热丝化学气相沉积(EACVD)中的氢原子发射过程进行了模拟。在模拟中考虑了电子与H₂的弹性碰撞及振动激发、分解、电子激发(包括H_α, H_β, H_γ谱线的激发)、电离及分解电离等非弹性碰撞过程;与CH₄的碰撞考虑了弹性动量传输及振动激发、分解、电子激发、分解激发(包括H_α, H_β, H_γ谱线的激发)、电离及分解电离等非弹性碰撞过程。研究了不同实验条件下产生的H, CH₃的数目与氢原子谱线相对强度的关系,给出了一种利用氢原子谱线来获得最佳成膜实验条件的方法。对于有效控制工艺条件,生长出高质量的金刚石薄膜具有重要意义。     

EACVD低温合成金刚石薄膜中非线性电场的数值模拟

采用蒙特卡罗模拟方法,研究了电子辅助热丝化学气相沉积(EACVD)技术低温合成金刚石薄膜过程中反应区的非线性电场分布.结果表明:阳极基片附近反应区电场的空间分布按指数规律变化,在一定的偏压条件下,随着气压的变化阳极附近将出现反向电场,对于金刚石薄膜的低温合成中的正离子分子,该反向电场起重要作用.     

电子增强化学气相沉积法制备金刚石膜

 采用EACVD方法在Si衬底上制备出生长速率高的优质金刚石膜，其生长速率最大可达7 μm/h，成膜范围Φ40 mm，并对优质金刚石膜的生长特性进行了研究。     

金刚石表面无定形碳氢薄膜生长的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法研究了CH₂基团轰击金刚石(111)面所形成的无定形碳氢薄膜(a-C:H)的生长过程. 结构分析表明, 得到的无定形碳氢薄膜中碳原子的局域结构(如C–C第一近邻数)与其中氢原子的含量密切相关. CH₂ 基团入射能量的增加会导致得到的薄膜的氢含量降低, 从而改变薄膜中类sp³成键碳原子的比例.     

辉光等离子体辅助化学气相沉积低温合成金刚石薄膜的研究

采用辉光放电等离子体增强化学气相沉积 (GP CVD)技术在低温条件下合成了高品质的亚微米金刚石薄膜 ,并通过对合成过程的实时发射光谱诊断确定了 [CH4 H2 ]系统参与金刚石合成反应的主要荷能粒子。对合成过程的研究表明 :采用这种技术能使电子增强热丝化学气相沉积 (EACVD)合成高品质金刚石薄膜的温度从 85 0℃降至 (340± 5 )℃ ;薄膜低温合成中的主要荷能粒子为CH3 、CH ,CH+ 、H 等 ,其中过饱和原子氢保证了高品质金刚石薄膜的合成 ;根据光诊断和探针测量的结果推断近表面辉光放电可在基片表面形成电偶极层 ,该偶极层是进行超常态反应的必要环境 ,并在低温合成中起重要作用     

Investigation of optical emission spectroscopy in diamond chemical vapor deposition by Monte Carlo simulation

The optical emission spectra(atomic hydrogen(Hα,Hβ,Hγ),atomic carbon C(2p3s→2p2:λ=165.7 nm) and radical CH(A2△→X2П:λ=420-440 nm))in the gas phase process of the diamond film growth from a gas mixture of CH4 and H2 by the technology of electron-assisted chemical vapor deposition (EACVD)have been investigated by using Monte Carlo simulation.The results show that the growth rate may be enhanced by the substrate bias due to the increase of atomic hydrogen concentration and the mean temperature of electrons.And a method of determining the mean temperature of electrons in the plasma in-situ iS given.The strong dependence on substrate temperature of the quality of diamond film mainly attributes to the change of gas phase process near the substrate surface.     

电子助进化学气相沉积金刚石中衬底温度对发射光谱的影响

采用蒙特卡罗方法,对以CH4/H2为源料气体的电子助进化学气相沉积(EACVD)金刚石中的氢原子(H_α,H_β和H_γ)、碳原子C(2p3s→2p2: λ=165.7 nm)以及CH(A2Δ→X2Π: λ=420～440 nm)的发射过程进行了模拟,研究了衬底温度对各发射谱线以及金刚石膜合成的影响。结果得知,各谱线强度随衬底温度的变化幅度很小,且在衬底表面附近的谱线强度随衬底温度的变化幅度相对于远离衬底的反应区域较大,这表明衬底温度的变化基本上不改变远离衬底的反应区域中反应基团成分,而只对衬底表面附近的反应过程有影响。由此得知,衬底温度对薄膜质量的决定性主要是由于衬底温度改变了衬底表面化学反应动力学过程和表面附近的反应基团的缘故,而不是衬底温度对反应空间中气相成分的影响。     

电子助进化学气相沉积金刚石中的光发射谱特性

采用蒙特卡罗方法,对以CH₄/H₂为源料气体的电子助进化学气相沉积(EACVD)金刚石中的氢原子(H_α, H_β, H_γ)、碳原子C(2p3s2p2∶λ=165.7 nm)以及CH(A2Δ→X2Π∶λ=420～440 nm)的光发射过程进行了模拟,气体温度随空间的变化采用温度梯度变化,研究了不同反应室气压及衬底温度下的光发射谱特性。结果表明,不同衬底温度下各谱线强度均随气压的增大先增大后减小; 当气压较低时,谱线强度随衬底温度的增大而减少,而气压较高时,谱线强度随衬底温度的增大而增大。     

电子助进化学气相沉积金刚石中发射光谱的空间分布

采用蒙特卡罗方法,对以CH₄/H₂为源料气体的电子助进化学气相沉积(EACVD)金刚石中的氢原子(H_α,H_β,H_γ)、碳原子C(2p3s→2p2：λ=165.7 nm)以及CH(A2Δ→X2Π：λ＝420～440 nm)的发射过程进行了模拟,研究了不同CH₄浓度下各发射谱线的空间分布。结果表明,不同CH₄浓度下各发射谱线在反应空间的大部分区域内均随距灯丝距离的增大而增大,而当到达基片表面附近时有所减弱。随着CH₄浓度的增加,H谱线强度减弱,CH与C谱线强度增强。     

金刚石膜合成条件下的鞘层与等离子体参数分布

本文报导了在用热阴极直流放电等离子体化学气相沉积（通常也称ＥＡＣＶＤ．即电子辅助化学气相沉积）方法合成金刚石的条件下的等离子体密度、电子温度、等离子体空间电位分布及基片附近等离子体鞘结构，并讨论其对成膜的影响．