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新型MPCVD装置制备高取向（100）金刚石膜的研究

作　者: 孙祁
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 高取向 金刚石膜
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


CVD金刚石膜具有高硬度、高热导率、高载流子迁移率以及物理化学性质稳定等优点,这使其成为极具发展前景的新型材料之一。化学气相沉积(Chemical vapor deposition, CVD)金刚石有着与天然金刚石极其相近的优异性能,因此受到各领域的广泛关注。随着近年科技的不断发展,各领域对CVD金刚石膜的要求不断提高,对沉积高取向高质量CVD金刚石膜的装置及工艺参数进行系统而深入的研究是十分必要的。微波等离子体化学气相沉积法(Microwave plasma CVD,MPCVD)因其独特于其他制备方法的优势,成为了制备高取向高质量金刚石膜的首先方法,并受到广大研究者的青睐。本文利用新型MPCVD装置进行了高取向高质量金刚石膜的相关关键问题的研究。新型MPCVD装置谐振腔为多模谐振腔,装置运行过程中,谐振腔内有TMo1和TM02两种模式的微波同时进入,并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,本MPCVD装置能实现大功率微波的馈入,形成密度很高的放电等离子,这为高效沉积高取向高质量金刚石膜的沉积提供了有利条件。本文从基片温度、碳源浓度、混合气体中掺入氧气等方面对高取向高质量CVD金刚石膜沉积工艺参数进行了系统的研究。并从CVD金刚石膜的沉积机理角度,分析了各种工艺参数对高取向高质量CVD金刚石膜沉积的影响机制,掌握了如何利用该新型MPCVD装置制备出满足不同要求的高取向高质量CVD金刚石膜的内在规律。通过实验发现,较低基底温度下所沉积的CVD金刚石膜具有较高的二次形核率,这影响了CVD金刚石晶粒的长大,适当提高基底温度有助于金刚石晶粒的生长；高碳源浓度下CVD金刚石膜具有较高的生长速率,但CVD金刚石膜表面杂乱且金刚石膜质量较差,而低碳源浓度下CVD金刚石膜具有较好的表面形貌,但生长速率过慢；混合气体中加入氧气对金刚石(100)晶面的生长具有促进作用,但氧气浓度过高会抑制CVD金刚石膜的生长,使金刚石膜一直处于初级生长的状态。在已掌握各种工艺参数影响CVD金刚石膜生长规律的基础上,进行了高取向(100)晶面CVD金刚石膜的高速生长研究。通过对沉积工艺的优化,得到了高速生长的质量较好的高取向(100)晶面金刚石膜(Φ=80mm)。参数优化后,CVD金刚石膜最高生长速率可达8.2μm/h,平均晶粒尺寸为10μm。通过上述研究,掌握了适合在该新型MPCVD装置上沉积CVD金刚石膜的一般规律,为高取向高质量(100)CVD金刚石膜的制备提供了很好的实验基础。同时,各个工艺参数对CVD金刚石膜的沉积影响的相关分析为高取向高质量(100)CVD金刚石膜的沉积提供了理论参考。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第一章 绪论  11-27
  1.1 金刚石结构及其优越性能  11-15
    1.1.1 金刚石的结构  11-13
    1.1.2 金刚石的优越性能  13-15
  1.2 CVD金刚石膜的研究进展  15-21
    1.2.1 CVD金刚石膜沉积机理  15-17
    1.2.2 CVD金刚石膜制备技术的发展概况  17-18
    1.2.3 CVD金刚石膜的应用  18-21
  1.3 本课题研究目的和意义  21-27
第二章 新型MPCVD金刚石膜实验装置及表征方法  27-35
  2.1 新型MPCVD金刚石膜沉积装置  27-32
    2.1.1 微波系统  28-30
    2.1.2 气路系统  30-31
    2.1.3 真空及检测系统  31-32
    2.1.4 保护系统  32
  2.2 样品表征  32-35
    2.2.1 光学显微镜  32-33
    2.2.2 扫描电子显微镜  33
    2.2.3 激光拉曼光谱  33-34
    2.2.4 X射线衍射  34-35
第三章 (100)面金刚石膜的沉积工艺研究  35-51
  3.1 基片温度对(100)面取向金刚石膜的影响  36-40
  3.2 甲烷浓度对(100)面金刚石膜沉积的影响  40-44
  3.3 氧气对(100)面金刚石薄膜沉积的影响  44-48
  3.4 本章小结  48-51
第四章 工艺参数的优化及(100)金刚石膜的制备  51-61
  4.1 碳源浓度对CVD金刚石膜生长速率的影响  51-55
  4.2 高速沉积下氧气对CVD金刚石膜质量的影响  55-58
  4.3 本章小结  58-61
第五章 论文总结与展望  61-63
参考文献  63-69
硕士期间已发表论文  69-71
致谢  71

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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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