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直流等离子喷射化学气相沉积法制备金刚石薄膜

作　者: 朱国明
导　师: 杨保和
学　校: 天津理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 直流等离子喷射化学气相沉积 自支撑 沉积工艺 基片温度控制
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


金刚石具有优异的力学、热学、光学、电学和声学性能。对金刚石的研究已成为物理和化学界的研究热点。直流等离子喷射化学气相沉积法能够快速生长自支撑金刚石厚膜。金刚石薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分,金刚石薄膜的表征也可从结构和成分两方面来表征。本文使用了扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD),激光Raman散射光谱来表征金刚石薄膜。本实验采用30kW直流等离子体喷射化学气相沉积金刚石膜设备。通过建立实验设备的传热数学模型,模拟了基片温度随等离子炬功率、反应腔压、沉积台温度、沉积腔壁面温度、基片喷嘴间距离、基片与沉积台的固相接触面占总面积的比率等的变化。模拟结果表明:影响基片温度的主要因素按照影响程度依次为等离子炬功率、沉积腔压力、沉积台温度、沉积台与喷嘴间距离;基片温度随着功率的增大而升高,在一定的温度范围内,近似于二次曲线;基片温度随腔压增大而升高,近似呈二次曲线变化,并且温度越高,温度随腔压的变化率越大;比较实验结果与相同工艺条件下的理论计算结果,两者吻合较好,最大误差小于10%。在实验中,作者从基片材料选择和形核,基片温度,碳源浓度和等离子体炬输入功率四个方面,并利用文章中介绍的表征方法,深入揭示了它们对金刚石薄膜生长的影响。实验表明:金刚石薄膜的生长速率随基片温度的升高而增加,基片温度为1000~1100℃条件下制备的金刚石薄膜质量最佳;在金刚石生长阶段C/Ar比为0.067最为合适;等离子体输入功率要尽量保持恒定。通过优化实验参数,制备出了1mm厚的自支撑金刚石薄膜。金刚石厚膜从基片上脱落、开裂甚至炸成碎块和基片温度调节控制是金刚石厚膜制备中遇到的两个主要困难。金刚石膜开裂很大程度上是因为无法准确控制基片的温度以及实现基片温度的缓冷而造成的。作者通过实验中总结的经验提出了解决这个难题的一些方法,以及提出了采用基片缓冷技术来实现金刚石膜生长过程中和停机过程中对基片温度的准确控制的设想。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章 绪论  9-18
  1.1 金刚石的结构和性能  9-12
    1.1.1 金刚石的结构  9-10
    1.1.2 金刚石的性能  10-12
  1.2 CVD 金刚石薄膜的研究状况  12-13
  1.3 CVD 金刚石薄膜的制备方法  13-15
    1.3.1 热丝CVD 法和EA－CVD 法  13-14
    1.3.2 微波等离子体CVD 法  14
    1.3.3 直流等离子体喷射CVD 法  14-15
    1.3.4 直流等热阴极PCVD 法  15
  1.4 金刚石薄膜的常用表征方法  15-17
  1.5 本文的研究内容  17-18
第二章 直流电弧等离子体喷射CVD 法生长金刚石膜的原理  18-35
  2.1 实验设备和开机步骤介绍  19-21
    2.1.1 实验设备  19-20
    2.1.2 开机步骤  20-21
  2.2 实验设备的传热数学模型  21-30
    2.2.1 沉积腔中传热机理分析  21-22
    2.2.2 传热数学模型组  22-24
    2.2.3 理论模型模拟计算结果  24-28
    2.2.4 实验验证  28-30
  2.3 气相生长金刚石薄膜的机理研究  30-34
  2.4 本章小结  34-35
第三章 各种因素对等离子体喷射CVD 法生长金刚石膜的影响  35-46
  3.1 基片材料选择和形核研究  35-36
    3.1.1 基片材料对金刚石膜生长的影响  35
    3.1.2 基片的预处理对金刚石膜沉积质量的影响  35-36
  3.2 基片温度对金刚石薄膜的影响  36-41
  3.3 碳源浓度金刚石薄膜生长的影响  41-43
  3.4 等离子体炬输入功率对金刚石薄膜的影响  43
  3.5 金刚石厚膜的制备  43-45
  3.6 本章小结  45-46
第四章 薄膜开裂和基片温度控制  46-53
  4.1 薄膜的开裂脱落  46-49
    4.1.1 金刚石膜开裂的原因  46-49
    4.1.2 消除或减少金刚石膜开裂机率的尝试  49
  4.2 温度控制  49-52
    4.2.1 金刚石膜开裂的原因  49
    4.2.2 影响温度的因素  49-51
    4.2.3 控制温度的一些做法和设想  51-52
  4.3 本章小结  52-53
第五章 总结与展望  53-55
参考文献  55-59
发表论文和科研情况说明  59-60
致谢  60-61

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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