本文關鍵詞： 金剛石膜 MPCVD 微波電場 橢球諧振腔 915MHz　出處：《北京科技大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：高功率MPCVD技術是高效率地制備大面積、高品質金剛石膜的有效方法,因為高的微波輸入功率可以激發(fā)富含H原子和多種含碳基團的高密度、大尺寸的等離子體,而這正是高速率沉積大面積、高品質金剛石膜所必需的條件 然而,國內外幾種不同的高功率MPCVD金剛石膜沉積裝置雖然均可在6-8kW功率條件下工作,但它們都或多或少地存在著一些問題。為了進一步提高高功率MPCVD金剛石膜沉積技術的水平,本文系統(tǒng)地開展了高功率MPCVD金剛石膜沉積技術的研究。 首先,通過對國內外現(xiàn)有的各類TM021模式的高功率MPCVD裝置微波諧振腔內的電場分布進行模擬和對比分析,從電場線分布的角度揭示了不同構型的TM021模式的MPCVD裝置的內在聯(lián)系,并在此基礎上提出了一種“通過垂直切割特定電場模式下的電場線來進行MPCVD裝置微波諧振腔設計”的新方法。利用這一微波諧振腔設計新方法,提出了一種新型的TM021模式的MPCVD裝置的設計方案。通過一臺新型TM021模式的高功率MPCVD金剛石膜沉積裝置的建立并在6kW微波輸入功率下進行高品質金剛石膜的沉積,驗證了上述微波諧振腔設計新方法的可行性。其次,通過上述微波諧振腔設計新方法在橢球微波諧振腔中的應用,實現(xiàn)了環(huán)形天線的微波耦合方式與橢球微波諧振腔的結合,進而設計并建立了 -種新型“環(huán)形天線-橢球諧振腔式MPCVD裝置”。新裝置擺脫了石英鐘罩對微波輸入功率水平的限制,消除了石英鐘罩刻蝕對金剛石膜品質造成的影響,同時實現(xiàn)了橢球微波諧振腔的小型化。實驗結果表明,環(huán)形天線-橢球諧振腔式MPCVD裝置同時具有橢球微波諧振腔式MPCVD裝置微波能量集中,激發(fā)等離子體位置穩(wěn)定以及多模非圓柱(環(huán)形天線)式MPCVD裝置可輸入功率水平高的特點,可在12kW功率下穩(wěn)定運行。在新型環(huán)形天線-橢球諧振腔式MPCVD金剛石膜沉積裝置成功建立的基礎上,我們開展了高功率(6～11kW)下金剛石膜的沉積工藝研究。首先,我們對影響金剛石膜沉積的基片溫度、甲烷濃度、氣體流量三個傳統(tǒng)工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。研究結果表明,沉積溫度在890℃附近,甲烷濃度為3%左右,氣體流量大于200sccm時所沉積的金剛石膜的品質最佳。其次,我們對與MPCVD裝置本身有關的氣體流動方式進行了研究。對氣體流動方式的研究表明,在MPCVD裝置沉積環(huán)境較為純凈的情況下不同出氣方式對金剛石膜沉積規(guī)律的影響并不顯著。最后,在優(yōu)化的金剛石膜沉積工藝條件下(10.5kW),φ50mm金剛石膜的生長速率達到6μm/h,其生長速率在同等真空水平(-2.5×10-6Pa·m3/s)下是6kW時的4倍；金剛石膜厚度達到960μm,而厚度的偏差則小于±2.1%；拋光后的金剛石膜擁有極佳的光學透過性,紅外透過率在6.5-25μm范圍內接近71%,紫外透過率在270nm處超過50%,金剛石膜樣品的光學吸收邊約為225nm；金剛石膜的拉曼半峰寬小于1.8cm-1,金剛石膜樣品中氮雜質的含量約為1.5ppm。 在2.45GHz環(huán)形天線-橢球諧振腔式高功率MPCVD裝置和新型TM021模式MPCVD裝置成功建立的基礎上。本文結合二者的優(yōu)勢,設計并建立了一臺75kW級915MHz階梯狀圓柱形環(huán)形天線式MPCVD裝置。初步實驗結果表明,這一915MHz階梯狀圓柱形環(huán)形天線式MPCVD裝置可在75kW微波輸入功率下穩(wěn)定運行。經過初步工藝探索,應用915MHz階梯狀圓柱形環(huán)形天線式MPCVD裝置在60kW微波輸入功率下,制備了φ127mm,1.4mm厚的大面積金剛石膜：其生長速率達到4.64μm/h拉曼半峰寬小于2.5cm-1。
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【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.11

【參考文獻】

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本文編號：1534138