微波等离子体低温CVD金刚石膜工艺和机理研究

摘要

金刚石的特殊晶体结构使其成为一种性能优异的功能材料,它具有高硬度、低摩擦系数、高热导率、高透光率、低介电系数和高禁带宽度等性质.化学气相沉积制备金刚石膜成本低、质量高,广泛应用于工具涂层、热沉、光学窗口、半导体器件等方面.化学气相沉积金刚石膜过程中,衬底的典型温度为800~1000℃,这么高的温度限制了其作为GaAs、ZnS等低熔点光学材料窗口和涂层的应用.低温沉积金刚石膜不仅可以使晶粒细化,降低表面粗糙度,减小光的散射作用,而且可以消除热应力.该实验采用MWPCVD-4型实验仪器,以CH<,4>/Ar/H<,2>为反应气源,单晶Si(111)基片,低温沉积金刚石膜.分别考虑气体系统及比例、微波功率、反应气压、基片处理方式和基片位置对低温沉积金刚石薄膜的影响.为提高金刚石成核密度分别采用以下三种不同的基片处理方法.①金刚石研磨剂研磨基片;②金刚石超微粉悬浊液对基片引晶处理;③金刚石研磨剂研磨和金刚石悬浊液引晶复合处理方式.结果表明,气体系统中引入氩气一方面不仅有利于维持低压放电,而且改善放电状态,提高反应活性基浓度和活性,提高低温沉积金刚石膜的质量;另一方面,由于其大的电离截面使其和电子碰撞的几率大大提高,对等离子体进行冷却,有利于基片温度的降低.经过对比采用方案③基片处理方式,基片和等离子球处于相切位置时,在微波输入功率700W和反应气压1000Pa时沉积工艺参数时,基片成核密度较高.另外,该实验通过X衍射分析(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对上述条件制备的金刚石膜结构和表面形貌进行表征.研究表明:XRD衍射图谱表明所得金刚石膜样品在2θ为43.9°存在金刚石的(111)特征峰包,由于存在缺陷,金刚石峰出现宽化.SEM照片表明所得金刚石薄膜表面是由规则排列、尺寸200nm左右的二次成核晶粒堆积形成,金刚石晶核呈球状,没有明显的刻面特征.

目录

文摘

英文文摘

第1章综述

1.1金刚石薄膜的结构、性质和用途

1.2金刚石膜的低压制备方法

1.2.1热丝CVD法(HFCVD)

1.2.2直流等离子体喷射CVD法

1.2.3射频等离子化学气相沉积法(RFCVD)

1.2.4燃烧火焰CVD法(Combustion Flame CVD)

1.2.5电子回旋共振CVD法(ECR-CVD)

1.2.6微波等离子体CVD法(MW-PCVD)

1.3研究目的、内容与意义

第2章低压化学气相沉积金刚石膜原理及模型

2.1低压化学气相沉积金刚石的条件

2.2低压化学气相沉积金刚石膜的原理

2.2.1金刚石形核

2.2.2亚稳态生长

2.3金刚石生长模型和反应机理

第3章谐振腔式MPCVD低温制备金刚石膜工艺研究

3.1金刚石膜的低温研究现状

3.2实验方法和实验仪器

3.3影响基片温度的因素

3.4影响金刚石膜低温生长的主要因素

3.4.1衬底预处理对金刚石生长的影响

3.4.2气源系统的影响

3.4.3气压对金刚石薄膜生长的影响

3.4.4功率的影响

3.4.5基片位置的影响

3.5实验参数确定

第4章结果与分析

4.1金刚石膜的表征方法

4.1.1金刚石膜的XRD分析

4.1.2金刚石膜的SEM分析

4.2金刚石膜的成核与机理分析

第5章结论

参考文献

致谢

附录：硕士期间即将发表的论文