本文關(guān)鍵詞：熱絲CVD法添加輔助氣體制備金剛石薄膜及其發(fā)射光譜的研究

  更多相關(guān)文章： 熱絲化學(xué)氣相沉積 金剛石薄膜 生長(zhǎng)速率 光譜診斷 氬氣

【摘要】：熱絲CVD金剛石薄膜在很多領(lǐng)域都存在有巨大的應(yīng)用前景,對(duì)熱絲CVD制備金剛石薄膜的研究也取得了很大進(jìn)展。提高金剛石薄膜的生長(zhǎng)速率具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前,采用熱絲CVD沉積金剛石薄膜在無(wú)偏壓條件下能夠獲得的生長(zhǎng)速率一般為0.9~1.4μm/h。施加偏壓或者射頻可以使電子的能量得到加強(qiáng),從而大幅度提高金剛石薄膜在平面襯底上的沉積速率,可達(dá)10μm/h以上。但是,由于尖端放電的原因,這樣的技術(shù)無(wú)法應(yīng)用在一些表面不平整,幾何形狀復(fù)雜的工件上。因此,在不施加偏壓的條件下提高金剛石膜的生長(zhǎng)速率具有重要意義。本文利用丙酮來(lái)作為熱絲CVD沉積金剛石薄膜的碳源,添加惰性氣體—?dú)鍤?作為沉積過(guò)程中的輔助性氣體,研究了添加氬氣對(duì)晶粒尺寸在微米級(jí)的金剛石薄膜生長(zhǎng)速率的影響,為了研究提高速率機(jī)理,通過(guò)光譜診斷分析了金剛石薄膜沉積時(shí)的等離子體空間分布,并通過(guò)將惰性原子作為示蹤原子,利用光化強(qiáng)度測(cè)定法研究了碳源濃度對(duì)金剛石薄膜生長(zhǎng)的影響。采用SEM,Raman光譜對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表面形貌和質(zhì)量進(jìn)行表征。研究結(jié)果如下:氬氣的添加不僅可以促進(jìn)二次形核,含量超過(guò)了32%時(shí),金剛石膜晶粒尺寸開(kāi)始納米化,而且添加適量的氬氣(8%~32%)可以顯著提高金剛石薄膜的生長(zhǎng)速率并保持高的結(jié)晶質(zhì)量。當(dāng)氬氣含量在8%~32%內(nèi)變化時(shí),微米晶金剛石薄膜的生長(zhǎng)速率與氬氣含量成正比關(guān)系,最高速率可達(dá)3.75μm/h,此時(shí)的氣體流量比為氫氣:氬氣:(氫氣+丙酮)=140:60:50。等離子體光譜診斷表明,當(dāng)丙酮作為金剛石薄膜生長(zhǎng)的碳源時(shí),主要表現(xiàn)的基團(tuán)為CO(283~370 nm),CH(387.0 nm),Hβ(486.1 nm),Hα(656.3 nm)等,氬氣添加后這些的基團(tuán)的光譜強(qiáng)度均增加了近一倍。當(dāng)氬氣含量為7%~30%時(shí),電子溫度與氬氣含量成正比,為金剛石薄膜的生長(zhǎng)提供了更加有利的條件,這是生長(zhǎng)速率得到提高主要原因。(2)對(duì)于線性陣列布絲情況下,存在一個(gè)由熱絲熱輻射產(chǎn)生的饅頭狀背底,中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的基團(tuán)分布存在差異,中心區(qū)溫度高,裂解能力強(qiáng),基團(tuán)強(qiáng)度高于兩邊。但中心區(qū)域基團(tuán)特征峰強(qiáng)度的變化比等離子球平緩的多�？v向方向上距離熱絲越遠(yuǎn),熱輻射減小,丙酮分子中裂解出CH、CO等基團(tuán)以及由原子H激發(fā)的Hβ與Hα等強(qiáng)度降低,反而使得復(fù)合生成的C2基團(tuán)增加。在保持基片溫度不變的情況下,金剛石的生長(zhǎng)速率隨絲基間距的增大而減小,質(zhì)量也隨著距離的增大而依次降低。這與制備過(guò)程中等離子體發(fā)射光譜診斷的結(jié)果相吻合。(3)保持其他工藝參數(shù)不變時(shí),隨著碳源混合氣體流量的不斷增加,電子溫度大體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),但在50sccm至70sccm出現(xiàn)反常的先增加后下降,在60sccm附近時(shí)有一最大值峰,此時(shí)的帶電粒子達(dá)到基片具有最大通量和能量。隨著碳源混合氣體流量的不斷增加,CO、C2、CH等幾種含碳基團(tuán)的譜線強(qiáng)度出現(xiàn)先減小后增大并在60sccm附近出現(xiàn)極小值,氣相沉積過(guò)程向著金剛石薄膜生長(zhǎng)的方向發(fā)展,微米晶金剛石薄膜具有最大的沉積速率為4.06μm/h,此時(shí)的反應(yīng)氣體流量比為氫氣:氬氣:(氫氣+丙酮)=150:30:60。
【關(guān)鍵詞】：熱絲化學(xué)氣相沉積 金剛石薄膜 生長(zhǎng)速率 光譜診斷 氬氣
【學(xué)位授予單位】：武漢工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ163;TB383.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-27
• 1.1 引言11
• 1.2 熱絲CVD沉積金剛石薄膜的研究概況11-18
• 1.2.1 熱絲 CVD 金剛石進(jìn)展12-13
• 1.2.2 基片的選擇及預(yù)處理13-15
• 1.2.3 形核15-16
• 1.2.4 生長(zhǎng)16-17
• 1.2.5 關(guān)于生長(zhǎng)方法的其他研究17-18
• 1.3 熱絲CVD金剛石涂層的表征18-24
• 1.4 本文研究的目的意義及研究?jī)?nèi)容24-27
• 第2章 氬氣在HFCVD制備金剛石薄膜過(guò)程中的影響27-39
• 2.1 引言27-28
• 2.2 實(shí)驗(yàn)28-29
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及設(shè)備28
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)28-29
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析29-37
• 2.3.1 薄膜表面形貌和質(zhì)量分析29-33
• 2.3.2 氬氣與生長(zhǎng)速率33-37
• 2.4 本章結(jié)論37-39
• 第3章 等離子體空間分布研究39-49
• 3.1 引言39
• 3.2 實(shí)驗(yàn)39-41
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析41-48
• 3.3.1 基團(tuán)橫向分布41-44
• 3.3.2 基團(tuán)縱向分布44-48
• 3.4 本章結(jié)論48-49
• 第4章 碳源濃度的發(fā)射光譜法研究49-57
• 4.1 引言49
• 4.2 實(shí)驗(yàn)49-50
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析50-55
• 4.4 本章結(jié)論55-57
• 第5章 總結(jié)與展望57-59
• 5.1 總結(jié)57-58
• 5.2 展望58-59
• 參考文獻(xiàn)59-67
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文67-69
• 致謝69

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