高温氧化多晶金刚石膜结构及浸润性研究
发布时间：2021-02-06 21:05
作为重要的第三代半导体材料,金刚石可广泛地应用于光学、微电子学、核能等半导体器件及航空航天等领域,具有其他材料不可替代的重要地位。化学气相沉积（CVD）金刚石膜是目前应用最广泛的金刚石材料。通常以硅片、钼片、单晶或多晶材料作为生长衬底,获得的多晶金刚石膜存在大量的晶界和非金刚石相,具有较高的晶界和缺陷密度,在一定程度上影响高质量金刚石在电学、热学、光学等方面的应用。去除多晶金刚石膜中的非金刚石相及晶界处的缺陷、微小晶粒等,获得晶型较好、晶粒尺寸大的多晶金刚石膜,提高多晶金刚石膜的晶体质量,是实现金刚石在各领域的更好应用的重要研究内容。此外,金刚石的表面能、表面浸润性等参数与金刚石膜表面结构和（氢、氧）终端密切相关,是金刚石基器件在多领域应用中必须考虑的因素,对多晶金刚石膜表面结构、高温氧化处理和生长,及其浸润性调控等研究,是金刚石领域重要研究内容。本论文利用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法制备多晶金刚石膜,对生长的多晶金刚石膜进行高温氧化处理及二次生长,获得连续大晶粒的金刚石膜,改善多晶膜的质量,并研究了各阶段多晶金刚石膜的表面浸润性及表面能。具体研究内容和结果如下:1.利用M...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金刚石的三维网格结构
第一章绪论2图1.1金刚石的三维网格结构图1.2金刚石的晶胞1.2金刚石的性质与应用金刚石在力学、热学、电学、光学、声学以及其他领域方面都表现出了极卓越的性质，具有超高硬度、低摩擦系数、超高热导率、宽带隙、耐高温、抗强辐射、高化学稳定性等性质。金刚石的主要性质和应用如表1.1所示。表1.1金刚石性质[6-25]性质应用领域电学性质电阻率～1016Ω·cm冷阴极发射材料、高功率高频高温电子器件、固态探测器、高可靠型抗辐射半导体器件等介电常数5.5禁带宽度5.5eV空穴迁移率1600cm2·V·s电子迁移率2200击穿电压4×1016V/cm饱和电子速率2.7×107cm/s光学性质高透光范围0.22μm~远红外X射线、紫外线、微波以及高功率激光器窗口、透镜保护膜、探测器抗反射涂层、光学波导等光吸收8μm折射率2.41力学性质密度3.47~3.56g/cm3切割刀具、钻头、磨料、对顶砧、耐磨部件、耐磨涂层、力学传感器、高频扬声器、微机振荡器等维氏硬度10000kg/mm2摩擦系数<0.1杨氏模量1.2×1012Pa弹性模量1.04×1012dym/cm泊松比0.22抗压强度9.8×1013kg/mm2热学性质熔点3800℃微波器件、集成电路、大功率激光器、电子设备和射频设备散热片、激光组件、激光窗口、微机电系统等热导率20W/cm·K热膨胀系数1×106/K热冲击系数1×107W/m其他性质常温下十分稳定，与任何强酸(包括王水)、强碱几乎都不发生反应，且具有良好的生物兼容性、抗辐射性能。医用金属材料涂层、生物传感器、原子反应堆、容器、电极等
第一章绪论4图1.3碳的压力-温度相图[9]1.4CVD金刚石制备方法目前CVD金刚石生长设备和技术工艺已经成熟，并实现了产业化，其生长方法多达十余种，目前，微波等离子体CVD、热丝CVD、直流等离子体喷射CVD是应用最广泛的三个方法。1.4.1微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）微波等离子体CVD法是目前公认最好的金刚石制备方法，可以制备高质量光学级、电子级金刚石膜[29]。MPCVD方法的原理是微波能量在腔体中耦合形成等离子体球，将氢气和甲烷激发成高活性的H及CxHy各化基团，具有很高的活性，在衬底表面发生各种反应，形成sp3结构，沉积为金刚石膜[33]。迄今为止，大多数大尺寸、高质量金刚石单晶的合成都是采用微波等离子体CVD法制备的。Mokuno等人[30]对金刚石进行多次“生长-取出处理-再生长”的过程，获得较大尺寸的单晶，Kobashi等人[31]采用马赛克法，将16快3mmⅹ3mm大小的Ib型(100)金刚石单晶片平铺排列，生长出大面积的金刚石外延层，得到1.44cm2、厚度为1mm的单晶金刚石片。Yamada等人[32]利用离子注入制备SCD的独立晶片，通过这种从单个种子基板上剥离的过程，他们可以克隆出多个相同的独立晶片，即具有与种子基板相同结晶特性的基板。把这些克隆体连接起来，就得到了所谓的平铺克隆体，利用这一技术，成功地制造了1英寸大小的单晶金刚石片。MPCVD法拥有其他设备所不能拥有的优势：无极放电，微波起辉，没有污染物的引进，可以制备出高质量金刚石膜，微波放电稳定，能量密度高，可以实
【参考文献】：
期刊论文
[1]Wettability and Surface Energy of Hydrogen-and Oxygen-Terminated Diamond Films[J]. 马子程,高楠,成绍恒,刘钧松,杨名超,王鹏,冯志源,王启亮,李红东. Chinese Physics Letters. 2020(04)
[2]扫描电镜中颗粒能谱定量分析的质量效应[J]. 杜婷,周振新,李丽敏,张正极. 理化检验(物理分册). 2012(06)
[3]金刚石薄膜的表面成分和形貌对表面能的影响[J]. 何琨,苟立,冉均国. 硅酸盐学报. 2010(02)
[4]人造大单晶金刚石的合成技术进展及主要应用[J]. 王裕昌. 超硬材料工程. 2008(06)
[5]微波CVD金刚石薄膜用作LED散热片的制备[J]. 满卫东,孙蕾,吴宇琼,谢鹏,余学超,汪建华. 金刚石与磨料磨具工程. 2008(02)
[6]在金刚石薄膜上生长微米/纳米结构氧化锌[J]. 吕航,成绍恒,桑丹丹,李红东. 超硬材料工程. 2008(01)
[7]CVD金刚石改善3D-MCM散热性能分析[J]. 谢扩军,蒋长顺,徐建华. 金刚石与磨料磨具工程. 2005(06)
[8]微米/纳米金刚石膜的性能和应用[J]. 王光祖. 珠宝科技. 2004(05)
[9]微波等离子体化学气相沉积——一种制备金刚石膜的理想方法[J]. 满卫东,汪建华,马志斌,王传新. 真空与低温. 2003(01)
[10]使用金刚石膜热沉的半导体激光器特性研究[J]. 顾长志,金曾孙,吕宪义,邹广田,屠玉珍,方祖捷. 半导体学报. 1997(11)
博士论文
[1]微纳米结构金刚石膜的制备及其浸润性和电化学传感器应用研究[D]. 马一博.吉林大学 2017
[2]分级结构表面浸润性研究[D]. 肖文佳.中山大学 2008
[3]金刚石热稳定性及其刀具受热损伤的研究[D]. 王适.大连理工大学 2003
硕士论文
[1]MPCVD法制备多晶和单晶金刚石及性质研究[D]. 王启亮.吉林大学 2009
本文编号：3021090
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金刚石的三维网格结构
第一章绪论2图1.1金刚石的三维网格结构图1.2金刚石的晶胞1.2金刚石的性质与应用金刚石在力学、热学、电学、光学、声学以及其他领域方面都表现出了极卓越的性质，具有超高硬度、低摩擦系数、超高热导率、宽带隙、耐高温、抗强辐射、高化学稳定性等性质。金刚石的主要性质和应用如表1.1所示。表1.1金刚石性质[6-25]性质应用领域电学性质电阻率～1016Ω·cm冷阴极发射材料、高功率高频高温电子器件、固态探测器、高可靠型抗辐射半导体器件等介电常数5.5禁带宽度5.5eV空穴迁移率1600cm2·V·s电子迁移率2200击穿电压4×1016V/cm饱和电子速率2.7×107cm/s光学性质高透光范围0.22μm~远红外X射线、紫外线、微波以及高功率激光器窗口、透镜保护膜、探测器抗反射涂层、光学波导等光吸收8μm折射率2.41力学性质密度3.47~3.56g/cm3切割刀具、钻头、磨料、对顶砧、耐磨部件、耐磨涂层、力学传感器、高频扬声器、微机振荡器等维氏硬度10000kg/mm2摩擦系数<0.1杨氏模量1.2×1012Pa弹性模量1.04×1012dym/cm泊松比0.22抗压强度9.8×1013kg/mm2热学性质熔点3800℃微波器件、集成电路、大功率激光器、电子设备和射频设备散热片、激光组件、激光窗口、微机电系统等热导率20W/cm·K热膨胀系数1×106/K热冲击系数1×107W/m其他性质常温下十分稳定，与任何强酸(包括王水)、强碱几乎都不发生反应，且具有良好的生物兼容性、抗辐射性能。医用金属材料涂层、生物传感器、原子反应堆、容器、电极等
第一章绪论4图1.3碳的压力-温度相图[9]1.4CVD金刚石制备方法目前CVD金刚石生长设备和技术工艺已经成熟，并实现了产业化，其生长方法多达十余种，目前，微波等离子体CVD、热丝CVD、直流等离子体喷射CVD是应用最广泛的三个方法。1.4.1微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）微波等离子体CVD法是目前公认最好的金刚石制备方法，可以制备高质量光学级、电子级金刚石膜[29]。MPCVD方法的原理是微波能量在腔体中耦合形成等离子体球，将氢气和甲烷激发成高活性的H及CxHy各化基团，具有很高的活性，在衬底表面发生各种反应，形成sp3结构，沉积为金刚石膜[33]。迄今为止，大多数大尺寸、高质量金刚石单晶的合成都是采用微波等离子体CVD法制备的。Mokuno等人[30]对金刚石进行多次“生长-取出处理-再生长”的过程，获得较大尺寸的单晶，Kobashi等人[31]采用马赛克法，将16快3mmⅹ3mm大小的Ib型(100)金刚石单晶片平铺排列，生长出大面积的金刚石外延层，得到1.44cm2、厚度为1mm的单晶金刚石片。Yamada等人[32]利用离子注入制备SCD的独立晶片，通过这种从单个种子基板上剥离的过程，他们可以克隆出多个相同的独立晶片，即具有与种子基板相同结晶特性的基板。把这些克隆体连接起来，就得到了所谓的平铺克隆体，利用这一技术，成功地制造了1英寸大小的单晶金刚石片。MPCVD法拥有其他设备所不能拥有的优势：无极放电，微波起辉，没有污染物的引进，可以制备出高质量金刚石膜，微波放电稳定，能量密度高，可以实
【参考文献】：
期刊论文
[1]Wettability and Surface Energy of Hydrogen-and Oxygen-Terminated Diamond Films[J]. 马子程,高楠,成绍恒,刘钧松,杨名超,王鹏,冯志源,王启亮,李红东. Chinese Physics Letters. 2020(04)
[2]扫描电镜中颗粒能谱定量分析的质量效应[J]. 杜婷,周振新,李丽敏,张正极. 理化检验(物理分册). 2012(06)
[3]金刚石薄膜的表面成分和形貌对表面能的影响[J]. 何琨,苟立,冉均国. 硅酸盐学报. 2010(02)
[4]人造大单晶金刚石的合成技术进展及主要应用[J]. 王裕昌. 超硬材料工程. 2008(06)
[5]微波CVD金刚石薄膜用作LED散热片的制备[J]. 满卫东,孙蕾,吴宇琼,谢鹏,余学超,汪建华. 金刚石与磨料磨具工程. 2008(02)
[6]在金刚石薄膜上生长微米/纳米结构氧化锌[J]. 吕航,成绍恒,桑丹丹,李红东. 超硬材料工程. 2008(01)
[7]CVD金刚石改善3D-MCM散热性能分析[J]. 谢扩军,蒋长顺,徐建华. 金刚石与磨料磨具工程. 2005(06)
[8]微米/纳米金刚石膜的性能和应用[J]. 王光祖. 珠宝科技. 2004(05)
[9]微波等离子体化学气相沉积——一种制备金刚石膜的理想方法[J]. 满卫东,汪建华,马志斌,王传新. 真空与低温. 2003(01)
[10]使用金刚石膜热沉的半导体激光器特性研究[J]. 顾长志,金曾孙,吕宪义,邹广田,屠玉珍,方祖捷. 半导体学报. 1997(11)
博士论文
[1]微纳米结构金刚石膜的制备及其浸润性和电化学传感器应用研究[D]. 马一博.吉林大学 2017
[2]分级结构表面浸润性研究[D]. 肖文佳.中山大学 2008
[3]金刚石热稳定性及其刀具受热损伤的研究[D]. 王适.大连理工大学 2003
硕士论文
[1]MPCVD法制备多晶和单晶金刚石及性质研究[D]. 王启亮.吉林大学 2009
本文编号：3021090
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