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微波等离子体化学气相沉积法制备高质量金刚石膜研究

周建  
【摘要】: 金刚石具有优异的力学、电学、光学、热学、声学性能,具有广泛的用途。金刚石膜潜在的最大应用领域是作为半导体薄膜和光学薄膜,而这个领域的开发在很大程度上依赖于高取向和单晶金刚石薄膜以及大面积透明金刚石膜的获得,但由于金刚石膜生长过程中缺陷的普遍存在以及大面积范围内均匀温度场等参数的难以获取,从而导致金刚石膜的取向发生改变,使高取向和单晶金刚石薄膜以及大面积透明金刚石膜的获得十分困难。因此,目前金刚石薄膜研究面临的最大挑战和难点就是在非金刚石衬底表面异质外延生长大尺寸高取向和单晶金刚石膜以及制备大面积透明金刚石膜。 论文通过微波场型和模式转换器的设计,参与建立了一套2.45GHz/5KW带有石英玻璃窗、水冷却不锈钢谐振腔的微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)系统(MPCVD-4型)。论述了包括微波系统、气路系统、真空系统、检测系统和保障系统等结构的组成及基本功能。该系统可通过沉积参数的精确控制,以控制沉积过程,减少金刚石膜生长过程中的缺陷,并采用光纤光谱仪检测分析等离子体的可见光光谱以监测微波等离体化学气相沉积过程; 利用微波对材料的选择加热特性,通过构造等效方程,并首次将电磁场摄动理论引入到MPCVD的基片加热材料的设计中,建立了非均匀等离子体温度场综合模型、复合介质基片材料的复合温度场模型及复合介质材料温度场摄动模型,为MPCVD的基片加热系统设计提供了一条全新的技术路线以指导基片加热材料的制备,并对基片加热材料进行了设计和优选,以获取大面积均匀的温度场区,甚至获得大于基片台尺寸的均匀温度区; 作为研究重点之一,开展了微波等离体化学气相沉积金刚石的成核与生长研究,系统地研究了在(100)单晶硅基片上MPCVD沉积金刚石膜的实验过程中,基片预处理、甲烷浓度、沉积气压、基体温度等不同实验工艺参数对金刚石薄膜质量的影响,分别用Raman光谱、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外透射光谱(IR)、原子力显微镜(AFM)对薄膜进行了表征,确立了该系统上MPCVD金刚石膜的最佳的实验工艺参数。通过对沉积过程的控制,制备了(100)高取向金刚石膜,摇摆曲线半峰宽(FWHM)为4.693°,最大单个晶粒的尺寸为100×100μm,同时还制备了φ75mm的大面积透明金刚石膜,平均透光率达68.3%。


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