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新型MPCVD装置制备大面积金刚石膜的研究

作　者: 翁俊
导　师: 汪建华
学　校: 武汉工程大学
专　业: 材料学
关键词: 新型微波等离子体 化学气相沉积 大面积 金刚石膜
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


金刚石膜高的硬度、热导率、载流子迁移率、化学稳定性等优异的物理化学性能使其成为极具发展前景的新型材料。化学气相沉积(Chemical vapor deposition, CVD)金刚石因与天然金刚石具有相近的优异性能而受到各领域的广泛关注。随着科技的发展,各种应用领域对CVD金刚石膜的质量与尺寸要求不断提高,对沉积大面积高质量CVD金刚石膜的装置和工艺参数进行系统深入的研究势在必行。微波等离子体化学气相沉积法(Microwave plasma CVD, MPCVD)以其独特的优势,成为制备高质量大面积金刚石膜的首选方法,受到广大研究者的青睐。本文利用可制备大面积金刚石膜的新型MPCVD装置进行了大面积CVD金刚石膜的相关关键问题研究。新型MPCVD装置的谐振腔体为一个多模腔,在装置运行过程中,TM01与TM02两种模式的微波同时进入谐振腔,在基片上方进行叠加,激发工作气体形成稳定的大体积等离子体球。与此同时,该装置可实现大功率微波的馈入,能够形成密度很高的等离子体放电,这些都为大面积金刚石膜的高速沉积提供了有利条件。本文从基片温度,微波功率,沉积气压,碳源浓度等方面对沉积大面积CVD金刚石膜的工艺参数进行了系统研究。并从CVD金刚石膜的沉积机理入手,分析了各种工艺参数对大面积CVD金刚石膜沉积的影响机制,掌握了利用该新型MPCVD装置制备满足不同要求的大面积CVD金刚石膜的内在规律。通过实验发现较低的沉积温度会产生较多的二次形核,不利于金刚石晶粒的长大;较高的微波功率和较低的沉积气压有利于获得体积更大的等离子体球,升高微波功率能有效的提高大面积CVD金刚石膜的沉积速率;高的碳源浓度不利于大面积CVD金刚石膜晶粒的长大,通过对碳源浓度的精确控制,可以获得不同取向的大面积CVD金刚石膜。在掌握各种工艺参数影响规律的基础上,进行了大面积CVD金刚石膜的取向研究以及高平整度的大面积纳米金刚石膜的制备。通过对沉积工艺的优化,得到了呈柱状生长的质量较好的大面积微米级金刚石膜(Ф=100mm)以及高平整度的大面积纳米金刚石膜(Ф=100mm),其中大面积微米级CVD金刚石膜的生长速率为1.3μm/h;大面积高平整度的纳米金刚石膜的生长速率为0.3μm/h,表面粗糙度为21.8nm,平均晶粒尺寸为24.9nm。通过上述研究,掌握了适合于在该新型MPCVD装置上沉积大面积CVD金刚石膜的一般规律,为大面积高质量金刚石膜的制备提供了很好的实验基础,同时各工艺参数对大面积CVD金刚石膜沉积的影响分析也为高质量CVD金刚石膜的沉积提供了理论参考。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-30
  1.1 金刚石的结构及优越性能  10-14
    1.1.1 金刚石的结构  10-12
    1.1.2 金刚石的优越性能  12-14
  1.2 CVD 金刚石膜的研究进展  14-22
    1.2.1 CVD 金刚石膜的沉积机理  14-16
    1.2.2 CVD 金刚石膜制备技术的发展概况  16-18
    1.2.3 CVD 金刚石膜的应用  18-22
  1.3 本课题研究目的和意义  22-30
第二章 新型MPCVD 金刚石膜实验装置及表征方法  30-42
  2.1 新型MPCVD 金刚石膜的沉积装置  30-37
    2.1.1 微波系统  31-35
    2.1.2 气路系统  35
    2.1.3 真空系统及测量系统  35-36
    2.1.4 保护系统  36-37
  2.2 样品表征  37-42
    2.2.1 光学显微镜  37-38
    2.2.2 扫描电子显微镜  38-39
    2.2.3 原子力显微镜  39
    2.2.4 激光拉曼光谱  39-40
    2.2.5 X 射线衍射  40-42
第三章 大面积CVD 金刚石膜沉积的工艺研究  42-58
  3.1 基片温度对沉积大面积CVD 金刚石膜的影响  43-46
  3.2 微波功率与沉积气压对沉积大面积CVD 金刚石膜的影响  46-51
  3.3 碳源浓度对沉积大面积CVD 金刚石膜的影响  51-57
  3.4 本章小结  57-58
第四章 工艺参数的优化与大面积CVD 金刚石膜的制备  58-72
  4.1 大面积微米级CVD 金刚石膜的取向研究  58-64
  4.2 大面积高平整度纳米CVD 金刚石膜的制备  64-69
  4.3 分析与讨论  69-70
  4.4 本章小结  70-72
第五章 论文总结与展望  72-76
参考文献  76-84
攻读硕士期间已发表的论文  84-86
致谢  86

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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