本文關(guān)鍵詞：高沉積氣壓下高質(zhì)量多晶金剛石膜的制備

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【摘要】：為了滿足工業(yè)應(yīng)用(如機械加工,微電子和光電子等)領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量多晶金剛石膜的需求,本文采用具有壓縮波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置,分別以CH_4/H_2、CH_4/H_2/O_2、CH_4/H_2/Ar和CH_4/H_2/O_2/Ar為氣源,在高沉積氣壓下進行了高質(zhì)量多晶金剛石膜的制備及研究,并以較高的沉積速率制備出了質(zhì)量均勻且非晶碳含量低的多晶金剛石膜。(1)以CH_4/H_2等離子體沉積多晶金剛石膜的研究。研究了沉積氣壓和甲烷濃度對多晶金剛石膜制備的影響,以及薄膜質(zhì)量的均勻性分布問題。結(jié)果表明:CH_4/H_2等離子體內(nèi)的基團譜線強度隨CH_4濃度和沉積氣壓的增加而增強。沉積氣壓的提高有利于高質(zhì)量多晶金剛石膜的快速沉積。低沉積氣壓下(14kPa),僅僅通過提高CH_4濃度并不能有效提高金剛石膜的沉積速率,反而會降低膜的結(jié)晶度,增加膜中非晶碳的含量。而高沉積氣壓(31kPa)下,隨著CH_4濃度的增加,C_2,CH,Hγ與Hβ譜線強度之比隨之增加,薄膜的沉積速率顯著提高,但降低了薄膜的品質(zhì)。為了兼顧沉積質(zhì)量和速率,沉積氣壓為31kPa時,通入4.0 vol.%的CH_4比較合適。(2)摻O_2對高質(zhì)量多晶金剛石膜制備的影響。研究了高沉積氣壓(34.5kPa)下添加O_2(0-0.56 vol.%)對多晶金剛石膜沉積速率及質(zhì)量的影響。結(jié)果表明:隨著O_2濃度的增加,C_2、CH及Hα基團的譜線強度均呈下降的趨勢,而C_2、CH與Hα譜線強度比值也隨之下降,表明增加O_2濃度不僅導(dǎo)致等離子體中碳源基團的絕對濃度下降,而且碳源基團相對于氫原子的相對濃度也降低,使得金剛石的沉積速率下降而沉積質(zhì)量提高。此外,具有刻蝕作用的OH基團的譜線強度卻隨著O_2濃度的增加而上升,這也有利于降低金剛石膜中非晶碳的含量。(3)摻Ar對高速沉積多晶金剛石膜的影響。采用CH_4(1.5vol.%)/H_2/Ar等離子體制備多晶金剛石膜的過程中,研究了基團的譜線強度、譜線強度比值及空間分布與金剛石膜沉積速率、質(zhì)量及均勻性之間的關(guān)系。結(jié)果表明:隨著Ar濃度的增加,工作氣體CH_4和H_2離解效率顯著提高,導(dǎo)致CH_4/H_2/Ar等離子體內(nèi)Hα,Hβ,CH和C_2基團的譜線強度增強。Ar濃度由0.5 vol.%增加至3.0 vol.%時,沉積速率由6.8μm/h迅速增加至13.5μm/h,但成膜質(zhì)量降低;光譜空間診斷發(fā)現(xiàn)盡管等離子體內(nèi)CH和C_2基團沿徑向分布的均勻性不理想,但中心區(qū)域內(nèi)ICH/IC_2比值趨于一致,該區(qū)域內(nèi)沉積出的薄膜厚度均勻且透明;SEM測試結(jié)果表明,在Ar濃度為3 vol.%時沉積出的金剛石膜,從邊緣到中心區(qū)域的表面形貌由(110)晶面取向向晶面取向混雜轉(zhuǎn)變。25kPa下,在CH_4(4.4 vol.%)/H_2/O_2(0.2 vol.%)等離子體中摻入2.0 vol.%的Ar后,能以18.2μm/h的沉積速率制備出高質(zhì)量(非晶碳含量低且均勻)的多晶金剛石膜。
【關(guān)鍵詞】：多晶金剛石 微波等離子體 高沉積氣壓 光譜
【學(xué)位授予單位】：武漢工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ163;TB383.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 金剛石的性質(zhì)及應(yīng)用11-13
• 1.1.1 金剛石的性質(zhì)11-12
• 1.1.2 CVD金剛石膜的應(yīng)用12-13
• 1.2 金剛石膜的制備方法13-16
• 1.2.1 熱絲CVD法14
• 1.2.2 燃燒火焰CVD法14-15
• 1.2.3 直流電弧等離子體噴射CVD法15-16
• 1.2.4 微波等離子體CVD法16
• 1.3 CVD沉積金剛石膜中的等離子體診斷分析16-19
• 1.4 高沉積氣壓下制備金剛石的現(xiàn)狀19-21
• 1.5 本工作的主要意義及內(nèi)容21-23
• 第2章 實驗裝置與表征方法23-29
• 2.1 實驗裝置23-26
• 2.1.1 金剛石膜沉積裝置23-24
• 2.1.2 等離子體發(fā)射光譜診斷實驗裝置24-25
• 2.1.3 金剛石膜激光切割及機械拋光裝置25-26
• 2.2 CVD多晶金剛石膜的表征26-29
• 2.2.1 激光Raman光譜26-27
• 2.2.2 金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡27-29
• 第3章 CH_4/H_2等離子體沉積多晶金剛石膜的研究29-41
• 3.1 引言29
• 3.2 沉積氣壓對多晶金剛石膜制備的影響29-35
• 3.3 CH_4濃度對多晶金剛石膜制備的影響35-39
• 3.4 本章小結(jié)39-41
• 第4章 摻氧對高質(zhì)量多晶金剛石膜制備的影響41-47
• 4.1 引言41
• 4.2 CH_4/H_2/O_2等離子體發(fā)射光譜的診斷41-43
• 4.3 O_2濃度對金剛石膜沉積質(zhì)量及速率的影響43-45
• 4.4 本章小結(jié)45-47
• 第5章 摻Ar對高速沉積多晶金剛石膜的影響47-57
• 5.1 引言47-48
• 5.2 CH_4/H_2等離子體中摻Ar對金剛石膜沉積的影響48-52
• 5.3 CH_4/H_2/O_2等離子體中摻Ar對金剛石膜沉積的影響52-54
• 5.4 本章小節(jié)54-57
• 第6章 總結(jié)與展望57-61
• 6.1 論文總結(jié)57-58
• 6.2 論文展望58-61
• 參考文獻61-67
• 攻讀碩士期間已發(fā)表的論文67-69
• 致謝69

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