高气压MPCVD法制备高质量金刚石的研究

发布时间：2020-04-05 10:23

【摘要】：CVD金刚石具有十分优异的物理化学性能,因此在众多领域中拥有广泛的应用前景。微波等离子体化学气相沉积法(microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)与其他沉积方法相比,具有能够提供纯净的沉积环境和高密度的等离子体的优势,因此成为制备高质量金刚石的首选方法。在CVD金刚石的沉积过程中,提高沉积气压可提高活性基团浓度和等离子密度,有利于高质量金刚石的生长。本实验使用自制多模MPCVD装置,在较高的沉积气压和微波功率下对高质量的CVD金刚石的生长进行研究,具体工作如下:1)利用实验室自制的10kW非圆柱多模谐振腔式MPCVD装置在微波功率5kW,甲烷浓度0.7%的沉积环境下进行实验,以CH_4/H_2混合气体为工作气体,进行了等离子体模拟和发射光谱分析的研究。模拟结果表明,高沉积气压下等离子体密度更高,活性更强。发射光谱结果表明,升高气压有利于提高等离子体中主要活性基团的强度,比如CH、H_β等。在气压上升前期,电子温度随着气压的上升而上升,当沉积气压高于17 kPa时,电子温度随着气压的上升开始下降。由此可知,适当的提高沉积气压有利于提高等离子体活性,有利于高质量CVD金刚石的生长。2)利用实验室自制的10kW非圆柱多模谐振腔式MPCVD装置,在8~20 kPa的气压范围内进行多晶金刚石膜的沉积研究。研究表明温度在850℃时,气压从8kPa升高到14kPa,金刚石膜表面均匀性变好、生长质量提高,当沉积气压高于17kPa时,沉积金刚石中缺陷开始增多,而温度在1150℃时,SEM表面形貌具有相同的变化趋势,说明适当提高沉积气压到一定范围有利于金刚石膜高质量生长,得到的调控规律表明在14kPa到17kPa的高气压沉积范围内可以生长表面质量较好的金刚石膜,这一结果也与发射光谱分析得出的结果相符合。3)利用实验室自制的10kW非圆柱多模谐振腔式MPCVD装置,在功率4500W甲烷浓度8%沉积环境下,对单晶金刚石的外延生长进行了研究。结果表明,经过等离子体刻蚀后的单晶金刚石可有效抑制生长缺陷的出现。外延生长中,沉积温度的改变会对外延单晶的质量产生明显影响,沉积温度过低则生长速率过慢,沉积温度过高则会出现生长缺陷。通过研究,最终在功率为4.5 kW,甲烷浓度为8%,沉积温度为1000℃时实现了高质量单晶金刚石的生长。
【图文】：

.1 金刚石的结构金刚石是一种原子晶体，它属等轴晶系[6]。其是碳原子以 sp3键杂列形成的碳的同素异形体。金刚石内部以共价键具有高度的对称性方式连接，每个碳原子与相邻的四个碳原子保持相同的距离，距离155nm，键间的夹角为 109°28′，呈正四面体结构,如下图所示。金刚结构为面心立方点阵，每个面心立方原胞中含有 4 个碳原子，4 个碳分别位于四个空间对角线的四分之一处[8]。金刚石的结构是由单一的子组成复合格子，两个面心立方的布拉菲原胞沿它们的空间对角线四分之一的长度套构而成。金刚石的空间点群是 Fd3m-Oh7，晶格常3567nm。

.1 金刚石的结构金刚石是一种原子晶体，它属等轴晶系[6]。其是碳原子以 sp3键杂列形成的碳的同素异形体。金刚石内部以共价键具有高度的对称性方式连接，每个碳原子与相邻的四个碳原子保持相同的距离，距离155nm，键间的夹角为 109°28′，呈正四面体结构,如下图所示。金刚结构为面心立方点阵，每个面心立方原胞中含有 4 个碳原子，4 个碳分别位于四个空间对角线的四分之一处[8]。金刚石的结构是由单一的子组成复合格子，两个面心立方的布拉菲原胞沿它们的空间对角线四分之一的长度套构而成。金刚石的空间点群是 Fd3m-Oh7，晶格常3567nm。
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ163

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本文编号：2614892