论文部分内容阅读
化学气相沉积（CVD）金刚石膜同时具有高硬度，最低的热膨胀系数，极佳的化学稳定性，高耐磨性，极高的热导率，宽禁带以及从远红外区到紫外区良好的光透过率等优异性能，在许多高新技术领域都具有很好的应用前景。与其它CVD方法相比，微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）制备金刚石膜具有无电极污染、结晶度高、晶体缺陷少、表面平整等优点，是制备高质量金刚石膜最理想的方法。本论文是在新型多模MPCVD装置上进行大面积高质量金刚石膜的制备研究。该装置利用微波在多模腔内以TM01模式和TM02模式，两种模式互补原理，增强等离子体放电区域，可以产生直径为150mm的等离子体球，为大面积高质量金刚石膜的获得提供实验条件。本文首先对大面积多晶金刚石膜的生长工艺参数进行了研究，在此基础上制备出高质量的大面积多晶金刚石膜。然后通过优化实验工艺参数，进行了（100）晶面的大面积多晶金刚石膜择优生长的研究。在金刚石膜的制备过程中微波功率，工作气压，甲烷浓度，基片温度等工艺参数对最终制备的金刚石膜的质量影响较大。因此，对于不同的MPCVD装置需要对工艺参数进行深入系统研究。本文就是在查阅大量文献的基础上，对所用装置上金刚石膜的生长参数进行细致研究。结果表明，甲烷浓度在0.5%～1.5%，基片温度在800℃～880℃制备出sp3碳含量高、结晶度好、晶型完整、并且缺陷较少的高质量金刚石膜。利用所得得规律，在该MPCVD装置上成功制备了直径达到100mm的大面积金刚石膜。扫描电子显微镜（SEM）图片表明金刚石膜的表面形貌好，晶体颗粒分布均匀；拉曼光谱检测表明金刚石膜内sp3碳含量；X射线衍射（XRD）表明金刚石膜结晶完整，结晶度好。高度（100）择优取向的金刚石膜具有最佳的光学性能和热导率，适合光学窗口，大功率微波窗口，热沉材料等方面。本文在大面积金刚石膜制备的基础上，探讨了在新型MPCVD装置上金刚石膜（100）择优取向生长。在金刚石膜的择优取向生长过程中，对形核，基片温度和甲烷浓度等工艺参数要求十分苛刻。本文通过这些工艺参数进行系统研究，以掌握其中的相关规律。结果表明，微波功率为4.5kW，工作气压为3.6kPa，甲烷流量为2.4sccm，氢气流量为300sccm，基片表面生长温度为810℃时，经过氢等离子体降温工艺处理，可以制备出表面光洁、内部缺陷较少的具有（100）晶面取向的大面积高质量金刚石膜。SEM图片表明（100）晶面明显，晶体平均颗粒小于5μm；拉曼光谱表征薄膜内金刚石相含量高，杂质少；从SEM断面图显示出其生长速率为1μmh-1。通过在新型MPCVD装置上对大面积金刚石膜工艺参数研究和（100）晶面金刚石膜生长研究，制备出高质量大面积金刚石膜，在光学窗口，热沉材料等方面提供实验依据。