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MPCVD合成聚晶金刚石厚膜生长工艺研究

刘洋  
【摘要】:金刚石是由碳元素组成的单质,它以其特殊的立方面心晶胞的晶体结构而具有优良的性质特征,如硬度大、折射率高、热导率高、透过率好以及化学性质稳定等。这使其在众多领域中有着不可替代的重要位置。但由于资源有限,价格昂贵,天然金刚石的使用不仅增加了生产成本,也限制了金刚石在许多行业中的广泛应用。 化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,缩写为CVD)合成金刚石是一种在低压条件下(≤100kPa),通过某种激发方式激活含碳气体中的碳原子使之电离,使其在基板上过饱和沉积,形成金刚石晶核,并在此基础上同质外延合成金刚石的方法。该方法成本低、易操作、且合成金刚石质量好、速率快。 本文在国内外研究的基础上,重点研究了MPCVD合成聚晶金刚石的工艺技术。通过进行MPCVD合成聚晶金刚石的沉积实验,摸索出沉积合成实验仪器的使用方法及技巧,沉积合成出了表面形态及性质特征不同的若干厚膜样品,并且对实验过程进行了详细的记录。通过改变沉积参数(主要包括反应气体浓度、基板温度、反应室压强等)设计了不同沉积条件的实验,探索了MPCVD聚晶金刚石厚膜沉积生长的主要影响因素及其影响规律,为获得质量好的聚晶金刚石厚膜创造了重要的条件,为以后的科研工作者提供了理论基础和实验条件。通过实验研究探索了MPCVD聚晶金刚石厚膜的沉积合成过程,分为形核阶段和生长阶段,并探索出不同阶段的沉积参数,提高了MPCVD合成聚晶金刚石厚膜的生长速率。通过对合成出的金刚石厚膜样品进行物理性质测试(包括密度测试和厚度测试)以及拉曼光谱测试,确定了合成出的金刚石厚膜确实为金刚石相,并为合成出更好的金刚石厚膜提供了思路和指导方向。对MPCVD合成聚晶金刚石厚膜在不同领域的应用及加工工艺进行了总结优化,并创新性的提出了其在宝石学方面的应用。


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