75 kW、915 MHz MPCVD装置生长单晶金刚石的研究

作     者：张青 

作者单位：武汉工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汪建华

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：915 MHz 微波等离子体 单晶金刚石 高功率 高质量 批量化 

摘      要：金刚石在力学、热学、光学、声学、电学、化学等非常多的方面都具有非常良好的物理化学性能,这就使得其表现出极大的应用潜力。目前,微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma CVD,MPCVD)因具有产生的等离子体密度较高,运行气压范围较宽,无极放电、等离子体环境纯净等优点,被认为是制备高质量单晶金刚石的首选方法。但难点在于:2.45 GHz-MPCVD装置由于本身的限制,不能够非常大批量地制备高质量单晶金刚石,而915 MHz-MPCVD装置却满足大批量沉积高质量单晶金刚石的条件,但其研究较少。针对这个难点,本研究采用实验室自制的75 k W、915 MHz-MPCVD装置进行了单晶金刚石的高质量与批量化沉积的研究。具体研究内容如下:一.研究了甲烷浓度和微波功率对单晶金刚石沉积质量的影响。结果表明:随着甲烷浓度地降低和微波功率地升高,单晶金刚石的生长面开始表现出形态完整、结构规则且台阶间距均匀的层状生长形貌,并且单晶金刚石同质外延的生长速率随微波功率的提高而显著增加、随着甲烷浓度地降低而减小;在3%甲烷浓度与35 k W高功率的条件下,单晶金刚石应力的变化相对较弱,并且可以有效地抑制杂质缺陷在单晶金刚石中的生成,提高单晶金刚石的外延质量。二.研究了基片温度对单晶金刚石沉积质量的影响。结果表明:在35k W的高功率微波等离子体环境中,基片温度对单晶金刚石的生长速率、沉积质量及表面形貌存在显著影响。在保持微波功率35 k W,甲烷浓度3%,基片温度950℃时,可制备得到质量较高,颜色较好的单晶金刚石。三.对所使用的915 MHz-MPCVD装置进行了气流场与微波电场模拟。结果表明:在氢气流量为2000 m L/min时,流速较快区域能够基本覆盖基片台,同时流速较快也会使得气体分子数量成倍增加,使得等离子体放电时能够激发出更多的活性氢原子和含碳活性基团,为批量化生长单晶金刚石提供了可能;当微波功率升高至35 k W时,电场幅值达到了2.55×10V/m,并且电场幅值随微波功率地提高几乎呈线性上升趋势,腔体内部电场的强场区范围也在随着微波功率的升高逐步扩大。四.在不同沉积气压下进行了单晶金刚石的批量化生长。结果表明:随着沉积气压地升高,等离子体球不断缩小,沉积均匀性也在不断改变,在沉积气压为13.8 k Pa时,等离子体球正好“覆盖整个基片台区域,基片台边缘和中间都能够沉积出质量不错的单晶金刚石。五.最终在3%CH、13.8 k Pa、35 k W的工艺条件下实现了60片单晶金刚石的均匀生长,其沉积质量较高,并且沉积质量与生长速率均匀性良好。