甲烷濃度對(duì)金剛石單晶生長(zhǎng)的影響和金剛石刻蝕坑的研究

【摘要】：微波等離子體化學(xué)氣相沉積法（MPCVD）制備金剛石，是實(shí)現(xiàn)高速率高質(zhì)量金剛石單晶生長(zhǎng)的主要手段。甲烷濃度對(duì)金剛石單晶的生長(zhǎng)以及結(jié)晶質(zhì)量具有決定性作用。在高速生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，甲烷濃度的提高引起的變化主要包括： (1)改變等離子體中金剛石相前驅(qū)物、非金剛石相前驅(qū)物以及H原子的濃度比例。相較其他基團(tuán)，非金剛石相前驅(qū)物C2隨甲烷濃度的增加有較大幅度的增加，等離子體內(nèi)刻蝕作用呈先增大后減小的趨勢(shì)，使金剛石質(zhì)量先提高后下降。 (2)提高金剛石的成核率、生長(zhǎng)速率,生長(zhǎng)模式隨之發(fā)生改變，致使高甲烷濃度下金剛石的生長(zhǎng)速率較高，臺(tái)階密度增加，表面形貌變差。 (3)降低N的擴(kuò)散。單晶的生長(zhǎng)過(guò)程中，N是由擴(kuò)散作用進(jìn)入晶體內(nèi)。N2通入量不變的情況下，單晶沉積速率的增加使N得相對(duì)擴(kuò)散速率降低，外延層中N含量降低。 H2/O2等離子體可以刻蝕非金剛石相，同時(shí)對(duì)金剛石相也有一定影響。它對(duì)金剛石單晶表面拋光遺留缺陷有很好的祛除作用。本文初步研究H2/O2等離子體刻蝕對(duì)單晶表面形貌的影響。通過(guò)對(duì)四種不同單晶刻蝕情況進(jìn)行對(duì)比，得出： (1)等離子體刻蝕主要對(duì)非金剛石相和晶界進(jìn)行刻蝕，故在缺陷附近的刻蝕坑密度較高。 (2)由于本實(shí)驗(yàn)所用HTHP單晶金剛石結(jié)晶質(zhì)量較CVD單晶金剛石差，相同條件下HTHP單晶表面刻蝕強(qiáng)度比CVD單晶刻蝕強(qiáng)度大。反之，可以通過(guò)比較表面刻蝕坑密度大小等來(lái)判斷金剛石單晶質(zhì)量的好壞。 (3)由于缺陷種類不同，HTHP單晶表面的刻蝕坑呈平臺(tái)狀，而CVD單晶的刻蝕坑形狀不規(guī)則，大致呈倒錐形狀。 (4)隨刻蝕時(shí)間的增加，由機(jī)械拋光引入缺陷產(chǎn)生的刻蝕坑逐漸消失，而晶體內(nèi)部缺陷引發(fā)的刻蝕坑則不會(huì)消失。 【關(guān)鍵詞】：MPCVD 甲烷濃度 等離子體 刻蝕坑
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ164.8;O78
【目錄】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-24
• 1.1 概述9
• 1.2 金剛石結(jié)構(gòu)9
• 1.3 金剛石的性質(zhì)9-11
• 1.3.1 機(jī)械性能9-10
• 1.3.2 熱學(xué)性質(zhì)10
• 1.3.3 光學(xué)性質(zhì)10
• 1.3.4 聲學(xué)性質(zhì)10-11
• 1.3.5 電學(xué)性質(zhì)11
• 1.3.6 化學(xué)性質(zhì)11
• 1.4 金剛石分類及研究歷史11-14
• 1.5 金剛石的制備方法14-17
• 1.5.1 熱絲直流等離子體法(HFCVD)14-15
• 1.5.2 微波等離子體法(MPCVD)15-16
• 1.5.3 直流電弧等離子噴射 CVD 法(DAPCVD)16-17
• 1.6 CVD 單晶金剛石的生長(zhǎng)條件17-23
• 1.6.1 功率密度18
• 1.6.2 籽晶襯底18-19
• 1.6.3 反應(yīng)溫度19
• 1.6.4 甲烷濃度（CH4）19-20
• 1.6.5 添加氣體20-23
• 1.7 選題及主要研究?jī)?nèi)容23-24
• 第二章 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及表征24-26
• 2.1 本文使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備24
• 2.2 實(shí)驗(yàn)使用的測(cè)試手段24-26
• 2.2.1 金相顯微鏡24-25
• 2.2.2 激光拉曼光譜（Raman）25
• 2.2.3 光致發(fā)光（PL）25
• 2.2.4 掃描電子顯微鏡（SEM）25
• 2.2.5 光發(fā)射譜（OES）25-26
• 第三章 甲烷對(duì)單晶生長(zhǎng)的影響26-36
• 3.1 實(shí)驗(yàn)步驟26
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析26-34
• 3.2.1 生長(zhǎng)速率26-27
• 3.2.2 OES27-29
• 3.2.3 拉曼和 PL29-31
• 3.2.4 金剛石的表面形貌31-34
• 3.3 本章結(jié)論34-36
• 第四章 金剛石刻蝕坑的研究36-46
• 4.1 引言36-37
• 4.2 實(shí)驗(yàn)方法及表征手段37
• 4.3 刻蝕結(jié)果比較37-45
• 4.3.1 刻蝕前后對(duì)比38-39
• 4.3.2 CVD 單晶金剛石與 HTHP 單晶金剛石刻蝕對(duì)比39-41
• 4.3.3 有氧刻蝕和無(wú)氧刻蝕的對(duì)比41-42
• 4.3.4 延長(zhǎng)刻蝕時(shí)間對(duì)刻蝕的影響42-45
• 4.4 本章小結(jié)45-46
• 第五章 全文總結(jié)46-48
• 參考文獻(xiàn)48-56
• 作者簡(jiǎn)介56-57
• 致謝57

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