微波等离子体化学气相沉积法制备大尺寸单晶金刚石的研究进展

金刚石作为一种超宽禁带半导体,是下一代功率电子器件和光电子器件最有潜力的材料之一。然而,高品质、大面积(大于2英寸)单晶衬底的制备仍是金刚石器件产业应用亟待解决的问题。介绍了目前受到广泛关注的微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)获得大尺寸金刚石单晶衬底的技术方案,即单颗金刚石生长、拼接生长以及异质外延生长。综述了大尺寸单晶金刚石外延生长及其在电子器件领域应用的研究进展。总结了大尺寸单晶金刚石制备过程中面临的挑战并提出了潜在的解决方案。

阴/阳极电流密度对铝合金微弧氧化陶瓷膜特性的影响

采用微弧氧化技术在铝合金上合成了陶瓷膜,研究了阳极电流密度和阴/阳极电流密度比对陶瓷膜特性的影响.结果表明,阳极电流密度对陶瓷膜中α Al2O3比γ Al2O3的相对含量影响很大,但阴/阳极电流密度比对其相对含量的影响较小,而陶瓷膜的显微硬度、微观结构和致密层的厚度与阳极电流密度和阴/阳极电流密度比密切相关.

过渡金属Fe、Ni和Co对金刚石膜表面腐蚀作用的研究

采用电子增强CVD和直流热阴极PCVD方法制备出金刚石膜,在真空条件下用高温热灯丝加热方法研究了过渡金属Fe、Ni和Co对金刚石膜表面的腐蚀作用,并对腐蚀后的金刚石膜表面和金属表面进行了XRD和Raman光谱测量。结果表明:过渡金属Fe、Ni和Co对金刚石表面具有明显的腐蚀作用,其中Fe的腐蚀作用最好。经过过渡金属腐蚀后金刚石表面和金属表面形成了非金刚石碳相而没有发现过渡金属碳化物。

氧等离子体对金刚石膜的刻蚀研究

用微波放电法产生氧等离子体,通过改变系统中氧的浓度和金刚石膜的温度研究了氧等离子体对CVD多晶金刚石膜刻蚀的影响。实验结果表明:随着氧浓度的增加和金刚石膜温度的提高,刻蚀作用加剧;而在较低的氧浓度和金刚石膜温度条件下金刚石膜的晶界处首先被刻蚀,说明金刚石膜的境界处含有较多的非金刚石碳相。并且从等离子体对(100)和(111)面的刻蚀现象可知(100)面的生长是二维生长,(111)面的生长是岛状生长。

用EA-CVD方法制备的大尺寸金刚石厚膜的品质和膜厚均匀性的研究

根据金刚石厚膜的实际应用要求,建立了EA-CVD(E lectron Assisted Chem ical Vapor Deposition)方法,制备出直径为80mm,膜厚为1mm以上的大尺寸高品质的均匀金刚石厚膜,其膜厚不均匀性小于5%,热导率不均匀性小于10%,膜片中部和边缘磨耗比基本相同,大约在1.5×105左右。同时研究了制备参数对膜的品质和膜厚均匀性的影响。结果表明:甲烷浓度、工作气压、偏流、灯丝与基片间距等参数对金刚石厚膜的品质和膜厚均匀性都产生影响。辉光等离子体的状态对膜的均匀生长作用明显,较低的工作气压,较大的偏流和较大的灯丝与基片间距有利于气体分解和辉光等离子体的发散,从而导致大面积金刚石厚膜不同位置的品质和膜厚趋于均匀。

铝合金微弧氧化陶瓷膜形成过程中的特性研究

保持交流电压脉冲幅度不变,对浸在硅酸钠和氢氧化钠溶液中的铝合金样品进行了微弧氧化处理,发现在陶瓷膜形成过程中,样品的电流随时间明显分成五个不同阶段.对应各阶段所制备的陶瓷膜分别用扫描电镜和X射线衍射仪进行了分析,结果表明,铝合金微弧氧化陶瓷膜主要由γ-Al_2O_3和α-Al_2O_3相组成,其含量随氧化时间变化.陶瓷膜内外层α,γ相含量差异主要是由于微弧区熔融的Al_2O_3凝固时冷却速率不同引起的.

直流热阴极PCVD法制备金刚石厚膜

建立和发展了非脉冲式的直流热阴极PCVD(PlasmaChemicalVapourDeposition)方法。通过采用温度为110 0℃～ 15 0 0℃的热阴极以及阴极和阳极尺寸不相等配置 ,在大的放电电流和高的气体气压下实现了长时间稳定的辉光放电 ,并用这种方法制备出大尺寸高质量的金刚石厚膜 ,其厚膜直径为 4 0mm～ 5 0mm ,膜厚为～ 4 .2mm ,生长速率最高达到 2 5 μm/h左右 ,在 5 μm/h～ 10 μm/h的生长速率下制出的金刚石厚膜 ,热导率一般在 10W/K·cm～12W /K·cm。高导热金刚石厚膜用做半导体激光二极管列阵的热沉和MCM的散热绝缘基板 。

磁控溅射CN_x薄膜的附着力、粗糙度与衬底偏压的关系

对磁控溅射生长在单晶Si(001)衬底上的CNx薄膜的附着力、粗糙度与衬底偏压的关系进行了研究。CNx薄膜沉积实验在纯N2的环境下进行,衬底温度(Ts)保持在350℃,衬底偏压(Vb)在0～-150V之间变化。利用原子力显微镜(AFM)和划痕试验机来测量CNx薄膜的表面粗糙度及对衬底的附着力。AFM和划痕实验的结果显示衬底偏压Vb对CNx薄膜的附着力和表面粗糙程度的影响很大,在-100V偏压下生长的CNx薄膜表面最光滑(粗糙度最小),同时对Si(001)衬底的附着力最好。最后根据实验结果确定了在单晶Si(001)衬底上生长光滑而且附着力好的CNx薄膜的最佳实验条件。

微波PCVD法大尺寸透明自支撑金刚石膜的制备及红外透过率(英文)

采用微波PCVD方法制备出直径50mm膜厚300μm的大尺寸透明自支撑金刚石膜。在甲烷体积分数2%的条件下制备的透明自支撑金刚石膜经过两面抛光后在500cm-1~4000cm-1红外波段范围内红外透过率达到70%,但是其生长速率只有1μm/h^2μm/h。在体积分数4%甲烷浓度下制备的自支撑透明金刚石膜,其生长速率达到7μm/h^8μm/h,经过两面抛光之后膜厚为260μm的金刚石膜的在500cm-1~4000cm-1红外波段范围内红外透过率达到60%左右,而且膜中心和边缘区的红外透过率基本相同。这些结果为大尺寸金刚石厚膜在红外窗口上的实际应用奠定了基础。

轰击离子能量对CN_x薄膜中sp^3型C—N键含量的影响

对磁控溅射生长在单晶Si(001)衬底上的CN_x薄膜样品的化学键合及结构进行了研究,利用不同的衬底负偏压(V_h)来控制轰击衬底表面的入射离子能量,从而影响膜中的化学键合的状态。样品的FTIR,Ra-man和XPS分析结果表明,CN_x薄膜中N原子分别与sp,sp^2和sp^3杂化状态的C原子结合,其中sp^3型C—N键含量先随着衬底偏压(V_b)的升高而增加,并在偏压V_b=-50V时达到最大值,但随着V_b继续升高,sp^3型C—N键含量减少,这表明CN_x薄膜中,sp^3型C—N键的含量与轰击离子的能量变化密切相关。

电流密度对铝合金微弧氧化陶瓷膜显微硬度影响的研究

采用微弧氧化技术在铝合金上制备了陶瓷膜.借助于先进的结构和表征手段,系统地研究了阳极电流密度ja和阴/阳极电流密度比jc/ja对铝合金微弧氧化陶瓷膜显微硬度的影响,实验结果表明,对于不同的jc/ja,陶瓷膜的显微硬度都随ja的变化而出现一个峰值,且不同jc/ja的峰值大小(显微硬度)和对应的ja有所不同.当ja=15A/dm2,jc/ja=0.7时,所制备的陶瓷膜显微硬度最高为4300HV.SEM和抗点腐蚀研究表明,jc/ja对陶瓷膜的微观结构和耐腐蚀性能影响很大.

使用金刚石膜热沉的半导体激光器特性研究

比较了使用金刚石膜热沉和传统的钢热沉的半导体激光二极管列阵在热阻和光输出功率方面的特性．与使用Cu热沉的器件相比，采用厚度为350～400μm，热导率在12～14W／（K·cm）的金刚石膜作为热沉的H极管列阵可使热阻降低45～50％，同值电流明显降低，而光输出功率提高25％，稳定性得到改善．表现出金刚石膜热沉在半导体器件散热方面的明显优势．

掺硼多晶金刚石膜的电化学性能研究

采用EACVD(E lectron Assisted Chem ical Vapor Deposition)方法制备了掺硼金刚石膜,并用扫描电镜、拉曼光谱及霍尔效应等测试方法对其表面形貌、生长特性、载流子浓度以及导电性能进行了分析.测试结果表明,掺硼金刚石膜是由微米级晶粒组成的多晶膜,其载流子浓度为4.88×1020cm-3,电阻率为0.03Ω.cm,是高品质金刚石膜.用该金刚石膜制作电化学电极,利用循环伏安法分别测量了金刚石膜电极在氯化钾空白底液、亚铁氰化钾溶液和左旋半胱氨酸溶液中的循环伏安曲线,发现该金刚石膜电极在水溶液中具有宽的电化学窗口(约为3.7 V)和接近零的背景电流,在生物制剂的检测中具有很高的灵敏度和良好的稳定性,是一种理想的电化学电极材料.

甲醇在热阴极DC-PCVD方法制备金刚石膜过程中的作用

采用热阴极 DC-PCVD方法制备了金刚石膜 ,研究了甲醇对放电状态和金刚石膜生长特性的影响 .结果表明 ,通入适量的甲醇有利于稳定辉光放电状态 ,保持阴极清洁 ,提高膜的生长质量 .

高速生长CVD金刚石单晶及应用

文章简要地介绍了近年来国内外CVD金刚石单晶的高速生长和应用进展。实验中采用微波等离子体化学气相沉积(CVD)方法,同质外延高速生长金刚石单晶,通过改变反应腔压强、反应气氛(在CH4/H2中引入氮气N2、二氧化碳CO2、氧气O2、)等,调制单晶生长速率、质量、颜色、表面粗糙度、光谱等特性。利用高温氢等离子体进行退火,可使金刚石单晶的颜色有很大的改善。研制了CVD金刚石单晶刀具,用于金属材料的曲面镜面加工。

自支撑硼掺杂金刚石膜残余应力和微观应力的XRD分析

利用XRD(包括sin^2ψ法)研究了电子辅助热灯丝化学气相沉积法(EA-HFCVD)生长的自支撑硼掺杂多晶金刚石薄膜的残余应力和微观应力。结果表明,薄膜的残余应力为压应力,随着薄膜制备过程中硼流量的增加,应力值有减小的趋势。薄膜的微观应力随着硼流量的增加,由拉应力转变为压应力然后又转变为拉应力。残余应力和微观应力的变化归因于一定量的硼掺杂导致的多晶膜中晶粒尺寸、晶面取向及孪晶变化的共同作用。

金刚石厚膜的制备及应用研究

用电子增强热灯丝ＣＶＤ（化学汽相沉积）方法制备出膜厚为０．１－２ｍｍ的金刚石厚膜，研究了金刚石厚膜的耐磨性和热导特性，用它制作了金刚石膜焊接刀具和半导体激光器用金刚石膜热沉。

金刚石膜的氮掺杂行为

采用电子辅助化学气相沉积法(EA-CVD)制备了氮掺杂金刚石膜,用SEM、Raman光谱、XPS、EPR等测试手段研究了金刚石薄膜的品质和膜中的氮杂质状态。结果表明,随着氮气流量的增加,金刚石膜的形貌从完整的晶面逐渐变为与(100)面共存的“菜花状”,且非晶碳的含量增加,品质下降。金刚石膜中氮以Ns0、[N—V]0和[N—V]-1的形式存在,在较低氮气流量下[N—V]0和[N—V]-1的含量较多,Ns0氮杂质的质量分数在1.50×10-5～4.83×10-4之间变化。

电子增强化学气相沉积法制备金刚石膜

采用ＥＡＣＶＤ方法在Ｓｉ衬底上制备出生长速率高的优质金刚石膜，其生长速率最大可达７μｍ／ｈ，成膜范围φ４０ｍｍ，并对优质金刚石膜的生长特性进行了研究。

金刚石薄膜热沉的制备研究

利用灯丝热解CVD方法合成了厚度为100μm以上的金刚石多晶薄膜。气相合成的金刚石膜按照2mm×2mm×0.1mm尺寸切割后,通过表面真空蒸镀Ti、Pt、Au包层,在一定的温度下通过烧结等方法使金刚石膜表面金属化,实现了金刚石膜热沉的制备。在GaAs/AlGaAs激光列阵二极管的散热中使用了金刚石膜热沉,结果表明该激光器的散热特性得到了初步的改善,激光器的最大光输出功率较铜热沉散热时提高了10％左右。