热丝化学气相沉积制备大面积金刚石薄膜工艺的研究

论文摘要

由于金刚石薄膜有许多特殊而优越的性质,长期以来人类一直对它进行各种性质研究,以期充分利用。近年来,化学气相沉积金刚石的研究取得了很大进展,在某些方面已达到了实用阶段。同时,金刚石生长机理方面也有了一些初步认识。由于热丝法作为主要化学气相金刚石沉积方法之一有许多优点,如装置简单,宜于实现大面积生长等,这一工作不仅在理论上,而且在实际应用上均有重大意义。本文首先从金刚石的各种优异性能开始,简要介绍了金刚石薄膜的研究的历史与现状,金刚石薄膜的制备方式与各种表征方法,薄膜生长的动力学因素。着重描述了作者用热丝法制备大面积金刚石薄膜的装置与沉积方法,并对影响薄膜生长的因素如:碳源种类,碳源浓度,沉积气压、温度、衬底材料、衬底处理,沉积时间等,进行了探索。最终找到一套利用简单的热丝沉积装置快速沉积大面积金刚石薄膜的沉积工艺。实验表明:大面积HFCVD(热丝法)条件在灯丝与基片的距离6.5 mm,丙酮和氢气比例为0.75%,灯丝功率为6.0 kW,炉内压力1.5 kPa,生长时间5个小时,以硅为基底沉积得到了质量较好的金刚石薄膜,通过观测和试验我们得知,薄膜致密连续均匀。硼掺杂大面积金刚石膜在电化学方面具有很好的实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金刚石结构和性质
• 1.2.1 力学性能
• 1.2.2 热学性能
• 1.2.3 电学性能
• 1.3 人造金刚石发展历史
• 1.4 金刚石的主要用途
• 第二章 金刚石膜的制备方式及薄膜的表征方法
• 2.1 金刚石膜的制备方法
• 2.1.1 物理气相沉积法（PVD）
• 2.1.2 化学气相输运法
• 2.1.3 等离子体化学气相沉积（PCVD）法
• 2.1.4 化学气相沉积法（CVD）
• 2.1.5 沉积方式小结
• 2.2 金刚石薄膜的表征方法
• 2.2.1 扫描电子显微镜
• 2.2.2 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）
• 2.2.3 拉曼光谱
• 2.2.4 X射线衍射光谱
• 2.2.5 俄歇电子能谱（AES）和X射线光电子谱（XPS）
• 2.2.6 表面粗糙度测量及微观力学测量
• 2.2.7 表征方式小结
• 第三章 金刚石膜形成机理与生长动力学的影响因素
• 3.1 非平衡热力学耦合模型
• 3.2 化学反应动力学模型
• 3.3 基本表面及气相化学反应
• 3.4 原子氢（H）的作用
• 3.5 生长动力学影响因素
• 3.5.1 反应气源
• 3.5.2 工作气压
• 3.5.3 基片的合理选用
• 3.5.4 温度
• 3.5.5 高速石墨刻蚀剂
• 3.5.6 成膜初期前的生成物
• 第四章 热丝法沉积大面积金刚石薄膜实验过程与工艺
• 4.1 热丝化学气相沉积原理
• 4.2 实验设备的研制
• 4.2.1 真空系统
• 4.2.2 水冷系统的设计
• 4.2.3 热丝架的设计
• 4.2.4 供气系统的设计
• 4.2.5 整机电路设计
• 4.2.6 其他部分设计
• 4.3 实验各因素的选择
• 4.3.1 工作气体的选择
• 4.3.2 灯丝选择与碳化
• 4.3.3 衬底材料的选择
• 4.3.4 衬底预处理
• 4.4 试验过程
• 4.4.1 预处理
• 4.4.2 抽真空
• 4.4.3 灯丝碳化
• 4.4.4 形核
• 4.4.5 生长
• 4.4.6 停止
• 4.5 不同工艺参数对金刚石生长的影响
• 4.5.1 衬底研磨对金刚石膜生长的影响
• 4.5.2 生长气压对金刚石膜生长的影响
• 4.5.3 碳源对金刚石膜形成的影响
• 4.5.4 灯丝衬底距对金刚石薄膜的影响
• 4.5.5 金刚石薄膜掺硼研究
• 4.5.6 金刚石薄膜的最终沉积参数
• 第五章 总结
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及参与的科研项目
• 致谢