微波等离子体化学气相沉积金刚石薄膜研究

本文系统研究了石英钟罩式微波等离子体辅助化学气相沉积装置对沉积金刚石薄膜的影响。与石英管式微波等离子体沉积装置相比，该装置能使用较高的沉积气压、较大的气体流量和较微波功率。本文着重研究了沉积气压、气体流量和甲烷浓度对金刚石薄膜形貌和生长速度的影响。发生生长速度随着沉积气压和甲烷浓度的增大而增大，晶体形态随着甲烷浓度的增大而差。并使用该装置成功地在４００℃低温沉积了Φ６０ｍｍ的金刚石薄膜。     

化学气相沉积金刚石薄膜生长动力学模型

基于金刚石薄膜气相生长的反应机理，提出了一个动力学模型；建立了描述金刚石生长与无离碳沉积相互竞争机制的动力学演化方程；通过讨论该动力学方程的稳态解，细致刻划了不同Ｃ／Ｈ泫比率条件下金刚石无序碳的竞争生长过程。     

电子辅助热丝CVD法合成金刚石膜

本文采用电子辅助热丝化学气相沉积法合成了厚度为４４０μｍ的金刚石膜。实验结果表明，适当地选择和控制各种沉积参数，可获得高质量的金刚石膜。本文还分析和讨论了基板温度、偏流、压强和甲烷浓度对金刚石膜质量的影响以及它们之间的相互关系。     

化学气相沉积金刚石薄膜成核机理研究

本文综述了在化学气相沉积（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ,ＣＶＤ）金刚石薄膜过程中非金刚石衬底表面金刚石成核机理研究进展。主要讨论了衬底表面缺陷诱导金刚石成核模型,指出最大原子团的存在决定了金刚石成核是否能够在衬底表面发生;分析了金刚石在非金刚石衬底成核时的过渡层问题,提出了过渡层存在机理;对于在等离子体ＣＶＤ中的偏压增强金刚石成核效应,提出的负偏压离子流增强成核模型和正偏压电     

热丝CVD金刚石薄膜Auger电子能谱分析

利用Ａｕｇｅｒ电子能谱仪，对热丝ＣＶＤ法生长出的金刚石膜样品进行了表面探测。结果表明热丝系统中钨、钼、石英等材料对金刚石膜的污染影响很小，以至探测不到；生长系统和生长工艺对金刚石膜的质量有较大影响。     

在H2—CH4—CO2气相系统中沉积金刚石薄膜

研究了在Ｈ２－ＣＨ４－ＣＯ２气相系统中金刚石薄膜的沉积情况。随着ＣＯ２浓度的增大，金刚石薄膜二次成核现象减少，晶体形态趋于完整，薄膜质量变化；随着ＣＯ２、ＣＨ４２的同时增大，金刚石薄膜农渐从完整晶体形态变为菜花状聚晶体，薄膜质量变差；在较高的ＣＨ４（约１５％）、ＣＯ２（约２０％）浓度下，仍可获得昌体形态貌良好的金刚石薄膜；在Ｈ２＿ＣＯ２气相系统中，不能沉积金刚石薄膜。     

定向金刚石薄膜的“分送”热丝法生长

本文采用分离送入反应气体的热丝法，制备｛１１０｝晶面占优的定向金刚石薄膜；研究了沉积几何对定向形貌的影响。实验表明，若要得到定向形貌，沉积几何需有严格的限制。     

蒙特卡罗模拟金刚石薄膜化学气相沉积过程中甲烷浓度的影响

本工作采用蒙特卡罗模拟,研究了以CH4/H2气体混合物作为源料气体的电子辅助热丝化学气相沉积中甲烷浓度对气相沉积过程的影响.计算了典型实验条件下电子能量分布,研究了电子平均能量、碎片H及CH3数目的空间分布、H与CH3的比值及CH3携带的能量随甲烷浓度的变化.结果表明:当电子能量为2-3eV时,电子的数密度达到一峰值;平均电子能量随着甲烷浓度的增加而增加;电子与气体分子碰撞产生的碎片H、CH3和CH2的数密度随距热丝的距离而变化;随着甲烷浓度的增加,原子氢H的数目缓慢下降,然而,官能团CH3和CH2的数目缓慢上升;H与CH3的数量比随甲烷浓度的增加而减少;碎片CH3携带的能量处于1～5eV范围之内,且当甲烷浓度为1.3;时,该能量达到一最值.     

灯丝形变对金刚石薄膜沉积的影响

研究了热丝ＣＶＤ系统中灯丝形变引起金刚石薄膜厚度的不均匀性，指出其根源在于灯丝形变使得基底表面温度不均匀，使各处的生长率不一样，并基于一简单模型分析了基底各处生长率与灯丝形变的关系。     

DC Plasma Jet CVD金刚石自支撑膜体结构的控制生长及其表面粗糙度的研究

在100kW级DC Plasma Jet CVD设备上,采用Ar-H2-CH4混合气体,通过控制工艺参数,在Mo衬底上获得不同占优晶面和应力状态的膜体结构.研究表明:不同取向的晶面在膜体中的分布不同,但各晶面随沉积温度的变化规律是相似的,在900℃左右容易获得较大的(220)晶面占优的膜体结构;薄膜的内应力沿晶体生长方向逐渐减小,且随沉积温度或甲烷浓度的增大而增大;具有高取向度的膜体将获得较为平整的表面.     

直流电弧等离子体CVD金刚石膜中氢杂质研究

运用傅里叶红外光谱(FT-IR)和核反应分析(NRA)对直流电弧等离子体制备的金刚石膜中的氢杂质进行了研究,并通过添加少量空气到反应气体的实验分析了氢杂质的变化.研究结果发现:红外光谱只能检测金刚石膜中的成键氢,其含量随着氮渗入量的增加而增加,并得出2820 cm~(-1)处的吸收是由氮结合的CH基团振动引起的,2832 cm~(-1)处的吸收可能是由金刚石膜特征结构缺陷结合的CH基团振动引起的,而不是氧相关的基团.核反应分析可以检测金刚石膜中的总氢含量,近表面小于50 nm层氢含量变化快,大于50 nm之后氢含量趋于稳定,此值认为是金刚石膜中的总氢含量.     

直流等离子体喷射CVD技术制备自支撑金刚石膜的新结构和新形貌

采用30kW高功率直流等离子体喷射CVD技术制备了自支撑金刚石膜的新型结构,通过使甲烷与氢气的浓度比随沉积时间变化的方法,制备了两层、三层和四层结构.扫描电镜结果显示所制备的层结构是由柱状晶和非常细晶粒组成的,而拉曼谱结果表明这层细晶粒具有纳米金刚石的激光散射特征.在甲烷与氢气的浓度比超过15;的沉积条件下,我们发现一种新形貌,这种形貌是由具有非常好的刻面的晶粒构成的.     

工艺参数对高功率MPCVD金刚石膜择优取向的影响研究

使用自行研制的椭球谐振腔式MPCVD装置,以H2-CH4为气源、沉积功率8 kW条件下,在不同CH4浓度、沉积温度和气体流量工艺条件下制备了大面积金刚石膜.使用X射线衍射仪对金刚石膜的择优取向的变化规律进行了研究.实验结果表明,高功率条件下工艺参数对金刚石膜的择优取向有不同程度的影响.在CH4浓度由0.5;上升到1.0;时,金刚石膜的择优取向由(220)转变为(111),由1.O;上升到2.5;时,则由(111)转变为(220)以及(311);在700 ～ 1050℃温度范围内,随着沉积温度的升高,金刚石膜(111)择优取向生长的倾向增高,当沉积温度高于1050℃时,金刚石膜改变了原先的以(111)择优取向生长的趋势,变为了以(100)择优取向生长;在气体流速为200～1000 sccm范围内时,随气体流量的增加,金刚石膜(111)择优取向的倾向增加.当气体流量大于1000sccm时,金刚石膜(111)择优取向的倾向又稍有降低.     

直流电弧等离子喷射CVD中控制生长(111)晶面占优的金刚石膜

运用光发射谱(OES)技术对大功率直流电弧等离子喷射CVD金刚石膜的气相沉积环境进行了原位诊断,研究了气相环境中主要含碳基团的浓度及分布与沉积参数的关系,发现了C2基元比其他基元对沉积参数更加敏感.利用光发射谱对C2基元发射强度的监测,实时调控沉积各参数,在大功率直流电弧等离子喷射CVD中实现了(111)晶面占优的金刚石膜的可控生长,I(111)/I(220)XRD衍射峰强度的比值达48.     

直流等离子体喷射制备无裂纹自支撑金刚石膜体的晶体组织设计

在自支撑金刚石膜体中发现网状、河流状和环状三种裂纹形式,这几种裂纹形式依沉积温度不同而不同.首次采用了原子力显微镜分析了金刚石自支撑膜体裂纹断裂机制,发现了穿晶断裂和沿晶断裂两种机制,其中,在网状裂纹中,穿晶断裂机制占主要地位;环状裂纹中,沿晶断裂机制占主要地位,而河流状裂纹是两种机制的混合.对应X射线衍射结果,(111)晶面占优的膜体易于开启穿晶断裂机制,(220)晶面占优的膜体易于开启沿晶断裂机制.使用Raman 谱测试的膜体中的本征应力在几十到几百MPa之间,且在膜体中存在应力剖面分布.Raman谱的结果还显示低缺陷的膜体组织有利于阻挡裂纹扩展.通过建立简单力学分析模型,推测了膜体组织对断裂强度的作用.根据实验结果和力学模型,制备了最厚2mm、最大直径120mm的无裂纹自支撑金刚石膜.     

气体流量对TYUT型MPCVD装置沉积大面积金刚石膜的影响

使用自行研制的频率为2.45 GHz的TYUT型MPCVD装置,以H2和CH4为气源,在功率为8 kW、基片温度为1000℃、气体流量为100～800 sccm条件下,进行了直径为65 mm的大面积金刚石膜的沉积实验.使用扫描电镜、X射线衍射仪、数字千分尺和Raman光谱仪等仪器分别对金刚石膜的表面形貌、取向、厚度和品质进行了表征.实验结果表明,气体流量的变化会对金刚石膜的晶粒尺寸,晶体取向,沉积速率,厚度均匀性和品质产生较大的影响.气体流量在300～600 sccm范围内制备的金刚石膜才兼具晶粒尺寸均匀性好、表面缺陷少和品质高的优点.     

氩气对直流弧光放电PCVD金刚石薄膜晶体特征的影响

本文采用自主研制的直流弧光放电等离子体CVD设备,在YG6硬质合金基体上进行了不同氩气流量下金刚石薄膜的制备研究.采用SEM对金刚石薄膜的晶体特征进行了观察.结果表明,氩气对直流弧光放电等离子体CVD金刚石薄膜的晶体特征有明显影响.在CH_4/H_2恒定时(0.8;),硬质合金基体上制备的金刚石薄膜表面形貌随Ar流量增加而变化的规律,即从以(111)八面体晶面为主→(111)和(100)立方八面体混杂晶面→以(100)立方体晶面为主→菜花状的顺序转变;当Ar流量为420～700 mL/min时,金刚石晶粒的平均尺寸由1.5 μm 逐步增大到7 μm;Ar流量为700～910 mL/min时,金刚石晶粒的平均尺寸由7 μm急剧减小到纳米尺度,约50 nm.     

CVD金刚石厚膜的机械抛光及其残余应力的分析

较粗糙的表面是影响金刚石厚膜广泛使用的因素之一.本文对CVD金刚石厚膜进行了机械抛光的正交实验研究.实验结果表明,影响抛光效率的因素依次为抛光盘的磨粒、转速、正压力和抛光面积.采用较大粒度的磨盘,适当增加转速和压力有利于提高抛光的效率.此外用XRD方法对机械抛光前后的膜的残余应力进行了测定和对比分析,结果表明,经过机械抛光,残余拉应力明显减小.     

CVD金刚石薄膜亚表面层氢杂质对表面活化反应的影响

采用密度泛函理论平面波赝势法研究了氢杂质位于氢终止金刚石薄膜亚表面层中三种不同位点处时金刚石的结构变化,以及氢原子在三种金刚石薄膜表面上的吸附难易程度,并对表面活化反应进行了过渡态搜索以探究化学气相沉积(CVD)过程中金刚石薄膜亚表面层氢杂质对表面活化的影响.对比计算结果发现:生长过程中,亚表面层的氢杂质使其附近的金刚...