HFCVD法合成金刚石的初期生长过程

用XL30FEG扫描电镜对热丝化学气相沉积 (HFCVD)法合成的金刚石颗粒的初期生长过程进行了研究。结果表明 ,金刚石在 p -Si(10 0 )基片上的初始形核密度很高 ,可达 10 10 /cm2 ;在随后的颗粒长大过程中 ,颗粒快速长大 ,颗粒密度急剧减少 ;颗粒的长大速率随其尺寸的增大而减小 。

HFCVD法高速生长金刚石的研究进展

CVD金刚石有着接近甚至是超过天然金刚石的一些优异性能,如高机械强度、高热传导率、低摩擦系数等,使得对CVD金刚石的研究吸引着众多研究者们的不懈追求。文章就热丝CVD法(HFCVD),阐述了近几年来为了提高金刚石生长速率对传统法做出的改进以及其相应的改进后的效果,解释了这些改进对推进CVD金刚石工业化的意义并就这一方面在未来的发展作出展望。

(100)定向CVD金刚石薄膜的制备及其电学性能

报道了采用HFCVD制备金刚石薄膜的方法,以乙醇为碳源,氢气为载气,在适当的衬底温度下,合成出具有(100)晶面取向均匀生长的金刚石薄膜.SEM,XRD和Raman分析表明,所合成的金刚石薄膜是高质量的多晶(100)取向膜,厚度均匀、化学性能稳定,结构和性能与天然金刚石相接近.研究了室温下(100)取向金刚石薄膜的暗电流电压特性、稳态55Fe 5. 9keV X射线辐照下的响应和电容频率特性.结果表明,退火后(100)取向多晶金刚石薄膜具有较低的暗电流和较高的X射线响应;高频下,电容和介电损耗都很小且趋于稳定,不随频率的变化而变化.

低浓度氩气对金刚石薄膜的影响及机理研究

提高生长速率是降低金刚石薄膜应用成本的关键因素之一,目前研究的提高速率的方法中以偏压电子增强为主,而该方法不适宜表面复杂的刀具涂层。本文通过在无偏压热丝化学气相沉积沉积金刚石薄膜条件下添加少量的Ar,成功将生长速率提高3倍,并采用等离子发射光谱研究了其反应机制,尤其对反应系统电子温度的变化做出了详细推理分析。实验结果采用扫描电镜、Raman光谱进行表征。结果表明:氩气的添加不仅可促进二次成核,使得晶粒尺寸达到纳米级,而且一定量的氩气(8%~32%)可提高金刚石薄膜的生长速率,当氩气含量在8%~32%范围内时,金刚石薄膜的生长速率随氩气浓度增大而增大,本实验获得最高生长速率达3.75μm/h,是无Ar情况下的3倍。光谱诊断显示的主要基团为CO(283~370nm),CH(387.0 nm),H_β(486 nm),H_α(656.3 nm),氩气添加后这些基团的光谱强度均显著增强。当氩气含量为7%~30%时,电子温度与氩气浓度成正比,为金刚石薄膜的生长提供了更优越的条件,生长速率得到提高。

新型MPCVD装置在高功率密度下高速沉积金刚石膜

使用自行研制的新型MPCVD装置,以H2-CH4为气源,在输入功率为5kW,沉积压力分别为13.33、26.66kPa和不同的甲烷浓度下制备了金刚石膜。利用等离子体发射光谱法对等离子体中的H原子和含碳的活性基团浓度进行了分析。用扫描电镜、激光拉曼谱对金刚石膜的表面和断口形貌、金刚石膜的品质等进行了表征。实验结果表明,使用新型MPCVD装置能够在较高的功率密度下进行金刚石膜的沉积;提高功率密度能使等离子体中H原子和含碳活性基团的浓度明显增加,这将提高金刚石膜的沉积速度,并保证金刚石膜具有较高的质量。

椭球谐振腔式MPCVD装置高功率下大面积金刚石膜的沉积

使用自行研制的椭球谐振腔式MPCVD装置,以H2-CH4为气源,在输入功率为9 kW,沉积压力为1.7×104 Pa和不同的气体流量条件下制备了金刚石膜。利用扫描电镜、激光拉曼谱对金刚石膜的表面和断口形貌、金刚石膜的品质等进行了表征。实验结果表明,利用椭球谐振腔式MPCVD装置能够在较高的功率下进行大面积金刚石膜的沉积;在高功率条件下,较高质量的金刚石膜的沉积速率可以达到4～5μm.h-1的水平,而气体的流量则会显著影响金刚石膜的品质及其沉积速率。

基片温度对直流电弧等离子体喷射沉积金刚石膜的影响

研究直流电弧等离子体喷射化学气相沉积金刚石膜系统中，基片温度对金刚石膜生长速率和质量的影响．实验发现，金刚石膜的生长速率和结晶性随基片温度的增加而单调增加，但是金刚石膜中非金刚石碳的质量分数先是随基片温度的增加而降低，在1000～1100℃达到最低值以后又开始随基片温度的增加而增加．

引入CO_2提高金刚石薄膜的沉积速率

微波等离子体法合成的金刚石薄膜质量好,但常规小型微波等离子体沉积金刚石薄膜速率低,为此,本实验在H2-CH4系统中引入CO2来提高金刚石薄膜的沉积速率。研究了不同碳源体积分数、功率、压力对沉积速率、金刚石形貌、电阻率的影响。其规律是随着碳源体积分数的增加,金刚石膜的沉积速率增加;随着压力的增加,生长速率呈现一个先增后减的趋势;随着功率的增加,也存在一个先增后降的趋势。研究结果表明碳源体积分数对沉积速率影响最大。综合各种因素,得到在H2+CH4+CO2的条件下沉积金刚石薄膜的最佳工艺条件为:碳源体积分数为0.63%;C/O=1.086;功率为490W;压力为5.33kPa。引入CO2使沉积速率得到提高,为常规方法沉积速率的3倍左右,表明引入CO2是一种提高沉积速率的有效方法。

掺硼金刚石薄膜电极的制备及电化学特性

通过热丝化学气相沉积(HFCVD)技术,在钽衬底上制备了p型掺硼金刚石(BDD)薄膜电极。利用原子力显微镜(AFM)分析丙酮体积分数对BDD电极的表面形貌和成膜质量的影响,利用循环伏安法(CV)分析BDD电极在不同种类、不同浓度电解液中的电化学特性。结果表明,当丙酮体积分数为1.5%时,金刚石薄膜表现出优异的附着力,并且BDD电极具有稳定的电化学特性。采用制备的BDD电极,在不同浓度的KCl和KH2PO4电解液中使用,得出电势窗口均在3.4 V以上。

热丝CVD法高速生长金刚石膜研究

使用热丝ＣＶＤ法研究了碳源种类、氧气含量、灯丝温度、基底与灯丝间距离及异常辉光放电等对金刚石膜生长速度的影响，在此研究的基础上，优化工艺参数，使热丝ＣＶＤ法生长金刚石膜的速度提高到２０μｍ／ｈ。

微/纳米多层金刚石自支撑膜的制备及生长特性的研究

在30kW级直流电弧等离子喷射化学气相沉积装置下,采用Ar-H2-CH4混合气体,通过控制工艺参数,在钼衬底上分别制备了普通微米自支撑膜及多层金刚石自支撑膜并对其进行研究。结果显示,同普通微米膜相比,多层膜体是由微米晶金刚石层和纳米晶金刚石层组成,表面光滑,微米层与纳米层间具有相互嵌套式的界面;多层膜中各层膜体的内应力沿生长方向有明显变化,出现一个从压应力到拉应力变化的过程;在沉积过程中,随着层数变化,膜体的生长速率也发生相应的变化。

高速率低压气相合成金刚石薄膜

本文给出了用低压直流等离子体法高速率化学气相合成金刚石薄膜的实验结果。其生长速率高达80μm/h左右,它是常规CVD法的80倍。利用X-射线衍射、扫描电子显微镜和Raman谱仪等对金刚石薄膜进行了分析,并对其结果给予简要地讨论。

高功率MPCVD金刚石膜红外光学材料制备

使用自行研制的椭球谐振腔式MPCVD装置，以H2-cH4为气源，就高功率条件下cH4浓度对金刚石膜的生长速率和品质的影响规律进行了研究，并在此基础上进行了大面积光学级金刚石膜的沉积。利用扫描电镜、激光拉曼谱仪、傅里叶红外光谱仪对金刚石膜的表面和断口形貌、金刚石膜的品质、红外透过率等进行了表征。实验结果表明，使用自行设计建造的椭球谐振腔式MPCVD装置在高功率条件下通过提高cH4浓度会使金刚石膜的生长速率增加，但当CH。浓度达到一定比例后．金刚石膜的生长速率将不再继续提高。cH4浓度在0．5％～2％时制备的金刚石膜品质较高；自行设计建造的椭球谐振腔式MPCVD装置能够满足在较高功率下光学级金刚石膜的快速沉积要求．

约束式热丝CVD法制备金刚石的研究

为提高热丝CVD法沉积金刚石薄膜的生长速率,以丙酮和氢气作为反应气源,利用自制的半封闭式空间约束装置,将热丝、衬底、反应气体聚集在狭小空间内,研究不同气体流速条件下的金刚石薄膜沉积情况;使用SEM和Raman光谱表征所合成的薄膜。结果表明:采用约束式沉积法可以显著提高沉积速率,本实验在230cm^3/min(标况)气体流速下获得最大沉积速率6.31μm/h,比未约束时增大了近一倍。随着气体流速增大,沉积速率先增大后减小;气体流速86~115cm^3/min(标况)时,晶粒尺寸为微米级;气体流速115~575cm^3/min(标况)时,晶粒尺寸减小至纳米级。Raman光谱检测显示:约束式沉积所得薄膜总体质量较好,但随气体流速增大而逐渐降低。

生长温度对CVD金刚石薄膜的影响

系统研究了ＣＶＤ金刚石薄膜成膜过程中生长温度对薄膜质量、生长率和力学性能的影响。研究结果表明：在典型沉积条件下，生长温度愈高、薄膜的晶体质量愈好；但薄膜的应力状况和附着性能变坏；在８００℃时，金刚石薄膜的生长速率最大。讨论了ＣＶＤ金刚石薄膜作为机械工具涂层的最佳生长温度。

巴基管涂层金刚石薄膜的成核率与生长速率研究

本文对热丝ＣＶＤ法沉积金刚石的形成过程进行了研究，建立了以巴基管为涂层在硅片上沉积金刚石薄膜的成核率以及生长速率随时间的变化曲线。由此得出金刚石晶粒的成核经历孕育期、快速增长期和饱和期这三个连续的阶段。

灯丝形变对金刚石薄膜沉积的影响

研究了热丝ＣＶＤ系统中灯丝形变引起的金刚石薄膜厚度的不均匀性，指出其根源在于灯丝形变使得基底表面温度不均匀，使各处的生长率不一样。并基于一简单模型分析了基底各处生长率与灯丝形变的关系。

丙酮对金刚石膜生长速率的影响

采用灯丝热解化学气相沉积方法，在不同的碳源气体气氛中合成金刚石薄膜，并研究不同工艺条件下的金刚石膜生长速率．结果表明，在较低的灯丝分解气体温度和较近的灯丝与衬底距离条件下，以丙酮为碳源气体合成的金刚石膜具有较高的生长速率和较好的质量．

碳源体积分数对BDD薄膜制备和性能的影响

以丙酮为碳源,采用热丝化学气相沉积(HFCVD)技术在钽衬底上制备p型硼掺杂金刚石(BDD)薄膜电极。在BDD电极制备过程中,碳源体积分数对它的质量和性能影响很大。利用AFM和XRD分析了丙酮体积分数对BDD电极表面形态和成膜质量的影响。利用循环伏安法研究了采用不同体积分数的丙酮沉积的BDD电极对电化学窗口和背景电流的影响。分别采用BDD电极和不锈钢片作阳极和阴极电解K2SO4溶液,并利用KMnO4滴定法检测BDD电极的氧化效率。结果表明,优化丙酮体积分数可以提高BDD的均匀性和附着力。合适的丙酮体积分数所制备的BDD电极具有电化学窗口宽、背景电流低和电极氧化效率高等特点,有很好的应用前景。

快速沉积的金刚石薄膜生长特性

本文研究了用直流电弧等离子体喷射法快速沉积的金刚石薄膜的生长特性,并与用热解CVD法沉积的金刚石薄膜生长特性做了比较。