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CVD合成金刚石简介

admin 人造钻石 2020年11月01日

  CVD合成金刚石简介_能源/化工_工程科技_专业资料。检测方法 FT-IR,XRR,拉曼 这个方法是一个俄罗斯人首先提出的,由此可见俄罗斯人的确很牛。 这种方法可以合成大面积金刚石薄膜, 大面积哦, 这是由于现在可以得到很大规模的等离子 体,所以这种

  检测方法 FT-IR,XRR,拉曼 这个方法是一个俄罗斯人首先提出的,由此可见俄罗斯人的确很牛。 这种方法可以合成大面积金刚石薄膜, 大面积哦, 这是由于现在可以得到很大规模的等离子 体,所以这种方法在研究领域可谓不可多得,只用甲烷就可以得到大面积的金刚石。 CVD 金刚石可以用各种方法合成, 其中晶粒生长速度最快的则为热等离子体 CVD 工艺。 我 们试验室过去曾试图用 DC 等离子体 CVD 工艺合成金刚石厚膜,并就膜与基底的附着强度 和膜的性质作过探讨。但是,热等离子体工艺存在沉积面积和膜质量都不如其它 CVD 工艺 等问题。CVD 金刚石薄膜应用中对扩大沉积面积有着强烈的需求。 金刚石在所有已知物质中具有最高的硬度、高耐磨率、良好的抗腐蚀性、低的摩擦系数、高 的光学透射率(对光线而言从远红外区到深紫外区完全透明) 、高的光学折射率、高空穴迁 移率、极佳的化学惰性,既是热的良导体,又是电的绝缘体,掺杂后可形成 P 和 N 型的半导体。 金刚石有如此多优异性能,因而在国民经济上有着广泛的用途。金刚石从真空紫外光波段到 远红外光波段对光线是完全透明的, 因此金刚石膜作为光学涂层的应用前景非常好, 可用作 红外光学窗口和透镜的保护性涂层。 以及在恶劣环境下工作的红外在线监测和控制仪器的光 学元件涂层。在工业制造领域,需要大量轻量化、高强度的材料,用具有高硬度、高耐磨性 的金刚石制成的刀具有长寿命、高加工精度、高加工质量等优异特性,而将金刚石薄膜直接 沉积在刀具表面不仅价格大大低于聚晶金刚石刀具, 而且可以制备出具有复杂几何形状的金 刚石涂膜刀具, 在加工非铁系材料领域具有广阔的应用前景。 金刚石在室温下具有最高的热 导率,又是良好的绝缘体,因而是大功率激光器件、微波器件、高集成电子器件的理想散热 材料。金刚石能掺杂为 P 和 N 型的半导体,与现有半导体材料相比,具有最低的介电常数, 最高的禁带宽度, 较高稳定性,很高的电子及空穴迁移率和最高的热导率,性能远优于 Si 半导 体,是替代 Si 的理想材料。它有可能用于制备微波甚至于毫米波段超高速计算机芯片,高电 压高速开关及固体功率放大器, 而工作温度更可达 600 摄氏度。 金刚石制备电子器件的应用 已取得了初步的结果,如金刚石薄膜发光管、金刚石薄膜场效应管、金刚石薄膜热敏电阻等 金刚石制备电子器件的应用。但天然金刚石价格昂贵、数量稀少,人们一直在寻求人工合成 金刚石的方法。传统上,依据热力学原理,人们利用石墨在高温高压下合成金刚石。但这种 传统方法需要高温高压,对设备要求比较高,条件比较苛刻,导致合成的金刚石价格较贵。 在 20 世纪 80 年代初 , 一种新的方法出现了 , 那就是微波等离子体化学气相法合成金刚石薄膜 (CVD)制备金刚石薄膜,它成本低,质量高,有利于大规模合成利用,且装置简单,能量集 中,反应条件易于控制,产物比较纯净,成为当前研究的主要方向和热点。 现在该领域的最新进 展是用微波化学气相合成法合成纳米级的金刚石薄膜,纳米级金刚石薄膜除了有普通微米级 金刚石薄膜的性质外,还具有高光洁度,高韧性,低场放射电压,是具有广阔应用前景的新材料。 摩擦系数低,光洁度高,颗粒极细,硬度高,耐磨度高,可广泛应用医疗,交通,航空航天,工业制造 领域的涂料,涂层,钻头,更可为微型机电领域带来革命性的飞跃.许多科学家纷纷预言:21 世 纪将是金刚石的时代。 合成与机理:等离子态是物质的第四态,之所以把等离子体视为物质的又一种基本存在 形态,是因为它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质上均有本质区别。即使与气 体之间也有着明显的差异。首先,气体通常是不导电的,等离子体则是一种导电流体而又在 整体上保持电中性。其二,组成粒子间的作用力不同,气体分子间不存在净电磁力,而等离 子体中的带电粒子间存在库仑力,并由此导致带电粒子群的种种特有的集体运动。第三,作 为一个带电粒子系,等离子体的运动行为明显地会受到电磁场的影响和约束。需说明的是, 并非任何电离气体都是等离子体。 只有当电离度大到一定程度, 使带电粒子密度达到所产生 的空间电荷足以限制其自身运动时,体系的性质才会从量变到质变,这样的“电离气体”才算 转变成等离子体。 否则, 体系中虽有少数粒子电离, 仍不过是互不相关的各部分的简单加合, 而不具备作为物质第四态的典型性质和特征,仍属于气态。按热力学分析只要压力适当,石 墨转变成金刚石在低温下并非不能自发进行, 问题在于反应速率太低, 以致必须提供苛刻的 高温高压条件。但若借助非平衡等离子体, 情况就不同了。 如用微波放电把适当比例的 CH4 和 H2 气激发成等离子体,便可在低于 1.0133× 104Pa,800—900℃ 条件下以相当快的生长速 率(1μm/h)人工合成金刚石薄膜。 依照此原理设计的 CVD 合成金刚石薄膜的装置都有一共同特性, 即使低分子碳烃气体 稀释在过量氢气中, 在一定电磁能激发产生等离子体, 在等离子体中形成局部的高温高压条 件,通过适宜的沉积工艺在基片(硅片)上沉积出金刚石薄膜。常用的方法有热丝法、微波法、 等离子体炬和燃烧火焰法等。热丝法是利用高温金属丝激发等离子体,装置简单,使用比较 方便。 但由于金属丝的高温蒸发会将杂质引入金刚石膜中, 因此该方法不能制备高纯度的金 刚石膜;微波法是利用微波的能量激发等离子体,具有能量利用效率高的优点。同时由于无 电极放电,等离子体纯净,是目前高质量、高速率、大面积制备金刚石膜的首选方法;等离 子体炬是利用电弧放电产生等离子体,制备的金刚石膜质量高。但由于电弧面积的限制,金 刚石膜的面积较小;同时由于电弧点燃及熄灭的热冲击,对金刚石膜的附着力影响很大,设 备的磨损大, 反应气体的消耗也高; 燃烧火焰法是利用乙炔在氧气中燃烧产生的高温激发等 离子体,可以在常压下工作,也存在着金刚石膜沉积面积小,不均匀等问题。 微波等离子化学气相合成法的主要装置有: 微波发生器,石英反应腔,单晶硅片,微流量 计,Raman 光谱仪,气压计,真空泵。真空泵抽真空,使体系保持在一个低压状态,将烃类气体 和氢气以一定比例混合在石英反应腔中,微波发生器发出微波使之在反应腔中形成等离子 体, 等离子体在抛光 Si 基片上沉积出金刚石薄膜。 沉积过程分为四个阶段:(1) H 等离子体刻 蚀阶段;(2) 镜面抛光硅片的表面渗碳期;(3)金刚石晶体成核期;(4) 金刚石晶体生长期. CVD 法制备金刚石膜的机理目前还没有完全了解, 主要是利用单晶硅片的晶格和金刚石晶体相似, 具有诱导成核作用,诱导金刚石晶体在硅片上沉积生长.原子氢在金刚石膜生长过程中的主要 作用是稳定具有金刚石结构的碳而将石墨结构的碳刻蚀掉。利用 CVD 中等离子体的高度离 子化作用,使 C、H、O 三者比例在一定的范围区域内,在合适的沉积条件下,得到金刚石 膜。一般来说,流量大些有利于成核,但流量过大,等离子轰击强度过大,则不利于晶体生 长,要选择合适的流量。调节不同的反应物比例和反应条件,可以有选择性地生长不同晶形 的金刚石膜。


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