MPCVD法同质外延生长单晶金刚石研究

摘要

针对高速、高质量金刚石单晶外延的优化工艺技术，本文利用自行研制的10kW、2.45GHz不锈钢谐振腔式微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置，以高温高压法(HTHP)合成的Ib型(001)单晶金刚石为基底、在H2-CH4-CO2气相体系下同质外延生长单晶金刚石。通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Ramanspectrum)和螺旋测微仪详细表征同质外延金刚石的表面生长形貌、结晶质量和生长速率，研究生长面温度梯度、生长温度、氧碳比、碳源浓度对MPCVD同质外延单晶金刚石生长的影响。结果表明:H2-CH4-CO2气相体系下适宜单晶金刚石生长的温度范围较宽(900℃～1150℃);含氧源可以有效地提高同质外延单晶金刚石质量;在合适碳源浓度(8％)和氧碳比(0.8)条件下可获得生长速率较快、结晶质量好的单晶金刚石。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 金刚石的晶体结构和单晶金刚石的分类

1．1．1 金刚石的晶体结构

1．1．2 单晶金刚石的分类

1．2 金刚石的性质

1．2．1 金刚石的力学性质

1．2．2 金刚石的化学性质

1．2．3 金刚石的电学性质

1．2．4 金刚石的光学性质

1．2．5 金刚石的热学性质

1．2．6 金刚石的其他性质

1．3 单晶金刚石的合成方法

1．4 MPCVD单晶金刚石生长机理和主要影响因素

1．4．1 CVD同质外延单晶金刚石的台阶生长形态

1．4．2 基底预处理对CVD单晶金刚石的影响

1．4．3 生长温度对金刚石生长的影响

1．4．4 取向误差角对CVD单晶金刚石的影响

1．4．5 原子氢的作用

1．4．6 CH4／H2比和MWPD对金刚石外延的影响

1．4．7 掺入少量N对金刚石外延的影响

1．4．8 掺入少量O对金刚石外延的影响

1．5 MPCVD法同质外延生长单晶金刚石研究进展

1．6 课题来源及主要研究内容

2 MPCVD单晶金刚石膜沉积装置与表征手段

2．1 MPCVD单晶金刚石膜沉积装置

2．1．1 微波系统

2．1．2 真空系统

2．1．3 气路系统

2．1．4 反应腔

2．1．5 水电保护系统

2．2 外延单晶金刚石的表征方法

2．2．1 光学显微镜

2．2．2 螺旋测微仪

2．2．3 拉曼光谱(Raman)

2．2．4 扫描电子显微镜(SEM)

3 H2-CH4-CO2气相体系MPCVD法同质外延单晶金刚石生长和表征

3．1 生长面温度梯度对单晶金刚石晶体质量的影响

3．1．1 外延单晶金刚石的表面形貌

3．1．2 外延单晶金刚石的结晶性分析

3．1．3 小结

3．2 生长温度对MPCVD法同质外延单晶金刚石生长的影响

3．2．1 不同生长温度同质外延单晶金刚石的生长工艺

3．2．2 单晶金刚石的表面形貌

3．2．3 单晶金刚石晶体质量和生长速率

3．2．4 小结

3．3 氧碳比对MPCVD法同质外延单晶金刚石生长的影响

3．3．1 不同氧碳比下同质外延单晶金刚石的生长工艺

3．3．2 单晶金刚石的表面形态

3．3．3 单晶金刚石晶体质量和生长速率

3．3．4 小结

3．4 总碳源浓度MPCVD法同质外延单晶金刚石生长的影响

3．4．1 不同碳源浓度下外延单晶金刚石的生长工艺

3．4．2 单晶金刚石的表面形态

3．4．3 单晶金刚石晶体质量和生长速率

3．4．4 小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果