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%。     

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。     

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,...     

低浓度氮气对单晶金刚石生长质量的影响北大核心CSCD

利用微波等离子体化学气相沉积法在CH_4/H_2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。     

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。     

MPCVD制备金刚石膜的形核与生长过程

简要介绍了金刚石膜的物理化学特性及应用领域。对比分析了主要化学气相沉积方法的优缺点,并指出MPCVD所面临的技术瓶颈。总结了反应腔体内压强、基片温度、基体材料及增强形核技术对金刚石膜形核过程的影响。较低腔体内压力、基片温度,高碳源浓度及等离子体预处理能有效提高形核密度。阐述了各过程参数对金刚石膜生长的影响和微米、纳米、超纳米金刚石膜的技术特点及应用。指出各类金刚石膜制备所面临的技术难题,并综述了解决该技术瓶颈的最新研究工作。     

MPCVD法制备低粒径纳米金刚石薄膜的研究

采用微波等离子体化学气相沉积法,以Ar/H2/CH4为气源,通过改变气源流量比例和功率,探究生长低粒径纳米金刚石的最佳条件。利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分别对制备出的薄膜的晶粒尺寸和表面形貌进行了表征,并采用拉曼散射光谱仪对薄膜的质量及残余应力进行了分析。结果表明:氩氢浓度比例相对于功率和甲烷浓度等因素对金刚石粒径影响较大;随着氩氢浓度比例增大,金刚石粒径呈减小趋势;金刚石相对于石墨相的含量先减小后增大,且由拉曼G峰引起的拉应力不断增大;膜表面的团聚体尺寸逐渐减小,平整度随之提升。     

基片位置对微波等离子体合成金刚石的影响

用自制的微波功率为5kW的微波等离子体(MPCVD)装置、用H2/CH4/H2O作为反应气体在较高的沉积气压(12.0kPa)条件下,研究了基片放置在等离子体球边缘附近不同位置对CVD金刚石沉积和生长的影响。结果表明,CVD金刚石的形核和生长对环境的要求是不同的;在等离子体球边缘处不利于金刚石的形核,但有利于高质量金刚石的沉积。     

MPCVD沉积金刚石薄膜时等离子体中电子的作用

根据化学反应动力学理论，计算了微波等郭子体辅助化学气相沉积（ＭＰＣＶＤ）金刚石薄膜对时等离子体中的电子对原子氢，甲基和乙炔分子生成速率的影响，发现等离子体对气相反应的促进作用主要通过其超平衡的高温电子实现，电子能极有效地把氢分子解离为氢原子，并为甲烷分子解离成甲基提供另一条重要途径，进而促进了整个气相反应的进行。     

氧气对MWPCVD制备金刚石膜的影响

在水冷反应室式微波等离子体化学气相沉积装置中以混合的CH4/H2/O2为反应气体,研究了O2浓度对制备金刚石膜的影响.实验发现,很低浓度的O2会显著促进金刚石的沉积,并稍稍抑制非晶C的沉积,因而沉积膜中非晶C的含量急剧下降;较高浓度的O2会同时抑制金刚石和非晶C的沉积,但由于抑制金刚石的作用更强烈,沉积膜中非晶C的含量反而有所升高.另外,O2的存在,有利于沉积颗粒较小的金刚石膜.     

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。     

反应气压对MWPCVD金刚石膜中 非金刚石相碳含量的影响

在水冷反应室式MWPCVD装置中以CH4和H2为反应气体进行了金刚石膜的沉积实验,研究了反应气体的压强对金刚石膜中非金刚石碳相含量的影响。实验发现,当微波输入功率较小时,随着反应气压的上升,沉积膜中非金刚石相碳的含量单调下降;当微波输入功率较大时,沉积膜中非金刚石相碳的含量先随着反应气压的上升而降低,后又随着反应气压的上升而稍稍增加。     

基片预处理对MWPCVD金刚石薄膜的影响

利用自行研制的石英钟罩式微波等离子体化学气相沉积金刚石薄膜装置，研究了硅基片的不同预处理方式对沉积结果的影响。通过扫描电子显微镜形貌观察和喇曼谱分析表明，基片预处理能提高形核密度；用于预处理的金刚石研磨膏的粒度不同，影响金刚石薄膜沉积时的形核密度、晶形和薄膜的质量；表面划痕对沉积金刚石薄膜的影响具有双重性。     

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。     

沉积气压对MW—PCVD制备金刚石薄膜的影响

利用石英钟罩式微波等离子体化学气相沉积（ＭＷ－ＰＣＶＤ）实验装置研究了不同沉积气压对金刚石薄膜沉积结果的影响。扫描电子显微镜（ＳＥＭ）显微形貌观察及喇曼光谱（ＲＡＭＡＮ）分析表明沉积气压的提高有利于改善ＭＷ－ＰＣＶＤ制备金刚石薄膜的质量。     

无支撑、光学级MPCVD金刚石膜的研制

利用引进的6 kW微波等离子体化学气相沉积设备,进行了无支撑金刚石膜工艺的初步研究。在800~1050℃的基片温度范围内,金刚石膜都呈(111)择优取向;基片相对位置对沉积较大面积、光学级金刚石膜至关重要。制出0.25 mm厚Φ50 mm的无支撑金刚石膜。拉曼光谱和X射线衍射分析表明,合成的金刚石膜晶体结构完整,sp2含量极低;透过率测试结果说明了优良的光学性能:截止波长225 nm,光学透过率(λ≥2.5μm)≥70%。     

基片位置对MWPCVD制备金刚石薄膜的影响

在石英钟罩式微波等离子体化学气相沉积实验装置中研究了基片位置对金刚石薄膜沉积质量的影响。扫描电子显微镜显微形貌观察和激光喇曼谱分析表明 ,对微波等离子体化学气相沉积制备金刚石薄膜而言 ,基片位置处于近等离子体球下游区域将有利于改善金刚石薄膜沉积质量。     

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...     

微波等离子体化学气相沉积技术制备金刚石薄膜的研究

介绍了微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）制备金刚石薄膜的研究情况，重点论述了该法的制备工艺对金刚石薄膜质量的影响及其制备金刚石薄膜的应用前景。     

常温生长类金刚石薄膜的实验研究

利用射频等离子体增强化学气相沉积(RFPECVD)工艺在常温下实现在不锈钢、硅片、玻璃等基底上大面积沉积类金刚石(DLC)膜.薄膜表面光滑致密,与衬底的结合力较高.用Raman,FTIR,SEM,EDX研究了薄膜的形貌、结构与组分.用栓-盘摩擦磨损试验机测试了薄膜的摩擦系数.通过优化沉积参数,所沉积的DLC膜在与100Cr6钢球对磨时摩擦系数低于0.01.在摩擦过程中DLC膜的磨损机制借助SEM进行了研究.