微波法制备高质量金刚石薄膜

摘要

金刚石薄膜无论是在物理性能还是化学以及电学性能方面都具有独特的优点,使它的适用范围变得极其宽广。人工合成的CVD金刚石薄膜与天然的非常接近,同样具备多种优点,而以(100)取向的金刚石薄膜相比较于其他晶面取向或自由取向的金刚石膜,在某些方面具有优越的特性,由于金刚石晶粒沉积过程中,(100)面方向长大时出现的孪晶和黑斑很少,(100)晶面取向金刚石膜表面更为光滑、截流子收集距离相对较大,热导率高,薄膜的应力较低,更适合于在热学、光学、电子学等方面的应用。
　　本论文所有的实验是在新型MPCVD设备上进行的,包括初期形核以及后期的薄膜沉积。本设备的创新之处是在于它的输出功率可以高达10kW,使用模式转换天线,使TM01和TM02两种模式微波的叠加,可在反应腔体中获体积较大的等离子体球。由于微波功率可达10kW,有利于形成高密度等离子体,这有利于高取向金刚石膜的制备。
　　在高取向金刚石薄膜的制备过程中,分别对基片的预处理工艺、基片温度、微波功率和反应气压等因素进行了研究。在分析研究各工艺参数对金刚石膜制备的影响的基础上,掌握了利用该多模谐振腔MPCVD装置沉积质量好的金刚石膜的内在规律。根据实验得到一些规律:基片的预处理会对金刚石薄膜的沉积产生重要影响,使用2500#金相砂纸研磨而成的硅片更有利于金刚石膜的初期形核,能较好的提高形核率,薄膜致密性好。基片温度对金刚石薄膜的生长速率、生长质量以及纯度都有较大影响,尤其是对α参数有着显而易见的影响,α参数直接影响着薄膜的择优取向问题;合适的基片温度下沉积能够获得高质量的金刚石薄膜,较高的微波功率有助于减少金刚石薄膜的内部缺陷,适中的沉积气压可以提高薄膜的生长速率。
　　通过上述实验部分得出适合沉积高质量高取向金刚石薄膜的工艺参数,然后综合优化参数,得出沉积所需薄膜的最佳工艺参数,在此基础上继续进行金刚石薄膜的沉积,获取了质量较高的薄膜。其晶粒尺寸约为2m,其晶面取向几乎完全是(100),而且表面形貌特别规则,具有尖锐的金刚石的同时膜中不含石墨峰,表明其纯度非常高,质量非常好。
　　通过上述的实验研究,掌握了使用新型多模谐振腔MPCVD装置上沉积高质量择优取向金刚石薄膜的实验方法和沉积工艺,为高质量的刚石薄膜的制备研究提供了很好的实验基础,对于高质量薄膜的制备提供了理论参考。

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第1章 文献综述

1.1 金刚石薄膜的结构和性能

1.2金刚石薄膜的发展历程以及制备方法

1.3本文工作的目的与意义

第2章 CVD沉积金刚石膜原理和MPCVD实验装置及表征

2.1 化学气相沉积金刚石的条件及原理

2.2 实验装置

2.3 样品表征方法

第3章 MPCVD制备金刚石薄膜的工艺研究

3.1 基片的预处理对金刚石薄膜沉积的影响

3.2 基片温度对金刚石薄膜沉积的影响

3.3 微波功率对金刚石薄膜沉积的影响

3.4 沉积气压对金刚石薄膜的影响

3.5 本章小结

第4章 高质量择优取向金刚石薄膜的制备

4.1 影响金刚石取向的α参数

4.2 高质量择优取向金刚石薄膜的制备

4.3 结果分析

4.4 本章小结

第5章 论文总结与展望

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

致谢