热丝CVD法添加辅助气体制备金刚石薄膜及其发射光谱的研究

发布时间：2017-10-14 17:28

  本文关键词：热丝CVD法添加辅助气体制备金刚石薄膜及其发射光谱的研究

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【摘要】：热丝CVD金刚石薄膜在很多领域都存在有巨大的应用前景,对热丝CVD制备金刚石薄膜的研究也取得了很大进展。提高金刚石薄膜的生长速率具有很大的经济价值。目前,采用热丝CVD沉积金刚石薄膜在无偏压条件下能够获得的生长速率一般为0.9~1.4μm/h。施加偏压或者射频可以使电子的能量得到加强,从而大幅度提高金刚石薄膜在平面衬底上的沉积速率,可达10μm/h以上。但是,由于尖端放电的原因,这样的技术无法应用在一些表面不平整,几何形状复杂的工件上。因此,在不施加偏压的条件下提高金刚石膜的生长速率具有重要意义。本文利用丙酮来作为热丝CVD沉积金刚石薄膜的碳源,添加惰性气体—氩气,作为沉积过程中的辅助性气体,研究了添加氩气对晶粒尺寸在微米级的金刚石薄膜生长速率的影响,为了研究提高速率机理,通过光谱诊断分析了金刚石薄膜沉积时的等离子体空间分布,并通过将惰性原子作为示踪原子,利用光化强度测定法研究了碳源浓度对金刚石薄膜生长的影响。采用SEM,Raman光谱对实验结果的表面形貌和质量进行表征。研究结果如下:氩气的添加不仅可以促进二次形核,含量超过了32%时,金刚石膜晶粒尺寸开始纳米化,而且添加适量的氩气(8%~32%)可以显著提高金刚石薄膜的生长速率并保持高的结晶质量。当氩气含量在8%~32%内变化时,微米晶金刚石薄膜的生长速率与氩气含量成正比关系,最高速率可达3.75μm/h,此时的气体流量比为氢气:氩气:(氢气+丙酮)=140:60:50。等离子体光谱诊断表明,当丙酮作为金刚石薄膜生长的碳源时,主要表现的基团为CO(283~370 nm),CH(387.0 nm),Hβ(486.1 nm),Hα(656.3 nm)等,氩气添加后这些的基团的光谱强度均增加了近一倍。当氩气含量为7%~30%时,电子温度与氩气含量成正比,为金刚石薄膜的生长提供了更加有利的条件,这是生长速率得到提高主要原因。(2)对于线性阵列布丝情况下,存在一个由热丝热辐射产生的馒头状背底,中心区域与边缘区域的基团分布存在差异,中心区温度高,裂解能力强,基团强度高于两边。但中心区域基团特征峰强度的变化比等离子球平缓的多。纵向方向上距离热丝越远,热辐射减小,丙酮分子中裂解出CH、CO等基团以及由原子H激发的Hβ与Hα等强度降低,反而使得复合生成的C2基团增加。在保持基片温度不变的情况下,金刚石的生长速率随丝基间距的增大而减小,质量也随着距离的增大而依次降低。这与制备过程中等离子体发射光谱诊断的结果相吻合。(3)保持其他工艺参数不变时,随着碳源混合气体流量的不断增加,电子温度大体呈现下降趋势,但在50sccm至70sccm出现反常的先增加后下降,在60sccm附近时有一最大值峰,此时的带电粒子达到基片具有最大通量和能量。随着碳源混合气体流量的不断增加,CO、C2、CH等几种含碳基团的谱线强度出现先减小后增大并在60sccm附近出现极小值,气相沉积过程向着金刚石薄膜生长的方向发展,微米晶金刚石薄膜具有最大的沉积速率为4.06μm/h,此时的反应气体流量比为氢气:氩气:(氢气+丙酮)=150:30:60。
【关键词】：热丝化学气相沉积 金刚石薄膜 生长速率 光谱诊断 氩气
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ163;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 引言11
• 1.2 热丝CVD沉积金刚石薄膜的研究概况11-18
• 1.2.1 热丝 CVD 金刚石进展12-13
• 1.2.2 基片的选择及预处理13-15
• 1.2.3 形核15-16
• 1.2.4 生长16-17
• 1.2.5 关于生长方法的其他研究17-18
• 1.3 热丝CVD金刚石涂层的表征18-24
• 1.4 本文研究的目的意义及研究内容24-27
• 第2章 氩气在HFCVD制备金刚石薄膜过程中的影响27-39
• 2.1 引言27-28
• 2.2 实验28-29
• 2.2.1 实验试剂及设备28
• 2.2.2 实验方案设计28-29
• 2.3 实验结果与分析29-37
• 2.3.1 薄膜表面形貌和质量分析29-33
• 2.3.2 氩气与生长速率33-37
• 2.4 本章结论37-39
• 第3章 等离子体空间分布研究39-49
• 3.1 引言39
• 3.2 实验39-41
• 3.3 实验结果与分析41-48
• 3.3.1 基团横向分布41-44
• 3.3.2 基团纵向分布44-48
• 3.4 本章结论48-49
• 第4章 碳源浓度的发射光谱法研究49-57
• 4.1 引言49
• 4.2 实验49-50
• 4.3 实验结果与分析50-55
• 4.4 本章结论55-57
• 第5章 总结与展望57-59
• 5.1 总结57-58
• 5.2 展望58-59
• 参考文献59-67
• 攻读硕士期间发表的论文67-69
• 致谢69

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本文编号：1032255