《计算机编程控制HFCVD系统与金刚石薄膜及相关材料生长的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机编程控制HFCVD系统与金刚石薄膜及相关材料生长的研究（110页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国科学技术大学研究生院博士论文摘要李 刚 石 以 其 优 异 的 力 学 、 热 学 、 光 学 和 电 子 学 等 性 质 而 受 到 人 们 的 广 泛 关注，8 0年代以来低压 C V D法制备金刚石薄膜的成功，使得金刚石薄膜成为物理、化学、机械、电子、材料等方面的研究人员竞相研究的热点材料。但是目前关于金刚石薄膜的生长机制仍然并不明确，而且用于金刚石薄膜的生长C V D设备都是手工操作，不仅对反应器内薄膜生长状态的变化难以 及时作出调整和反应，而且要耗费大量的人力资源。本论文工作首先建立了一套计算机编程控制的热丝化学气相淀积系统，用于实现无人值守地金刚石薄膜自 动化生长，以期为金刚石
2、薄膜的工业化生产探索一些经验.r )v 于 提高金刚石薄膜的质量和生长速率， 本论文结合气相化学和表面化学模拟以 及原位光发射谱诊断，能与金刚石同样优异的 si C N薄膜材料，以及 S i C N / 金刚石和金刚石/ 金刚石多层膜。件 一 章 综 述 了 金 刚 石 薄 膜 研 究 的 历 史 。 总 结 了 典 型 制 备 技 术 的 特 点 和 目 前关于金刚石成核、生长、 缺陷形成和生长机制的 研究进展。第二章介绍了我们自 主研制的二维空间分辨原位光发射谱诊断设备和计算机编程控制 H F C V D系统，以及这套 H F C V D系统的 特点和优点。这套系统可以编程控制灯丝温度、衬
3、底温度、气体组分和衬底偏压等所有主要系统参量，自动监视水电状况，实现操作程序化、生长自 动化和诊断微观化。第三章通过实验研究与气相化学和表面化学的计算模拟，系统讨论了生长气氛中加氮后的微观基团环境及其对金刚石生长的影响。实验发现，3 0 %N 2 / C H ; 的氮气加入比 例是最佳条件，金刚石薄膜的生长速率最高，质量也最好。气相化学和输运机制的分析表明，原子 H在衬底表面的复合放热是 H F C V D中衬底加热的主要来源。H F C V D的主要传热媒介是原子 H ，主要传质媒介是 C H : 基团，C , H : 基团对金刚石生长的贡献比 C H , 低一个数量级，而原子 C几乎没有贡
4、献。表面化学和基团空间分布的模拟表明，原子H , C H , 和C N 基团在衬底附近的摘要浓度由 于其表面反应的消耗而明 显下降， C N基团是氮对金刚石生长的主要作用媒介。 C N 基团可以比原子 H更快速地产生金刚石生长位，因而可以提高生长速率，同时C N 的形成降 低了 气相中的 碳饱和度，有利于提高薄膜质量。第四章系统研究了氮气氛下金刚石薄膜生长过程中的原位光发射谱。我们发现C N 基团 对H F C V D 系统的灯丝温度、 氮气浓度、甲 烷浓度、 衬底温度、衬底偏压、反应压强等宏观参量都比较敏感。 C N基团不仅影响着金刚石生长的气相过程，而且对其表面过程也有很强的作用，原位检测
5、实验与我们的计算模拟结果完全符合。 C N基团的行为表明，加入氮气不仅可以 增加金刚石生长速率、降低气相中的碳饱和度、提高薄膜质量，而且可能有利于金刚石在低衬底温度和相对较高的压强下生长，同时氮在金刚石中的掺杂过程可能也是通过C N 基团来实现的。对于金刚石薄膜的质量，原子 H是一个非常重要的因素，原子 H有助于刻蚀薄膜表面的石墨相并且可以稳定金刚石的结构。所以我们可以将C N基团与原子 H分别与金刚石生长的不同指标联系起来: C N基团对应于金刚石的生长速率， 而原子 H对应于金刚石的 质量。 通过原位光发射谱来实时 检测并反馈控制C N 基团和原子H 的浓度变化，通过精细地控制这两者的发射
6、线，我们就能在金刚石薄膜的高生长速率和高质量中作出最佳的选择。第五章研究了没有偏压辅助的H F C V D中S i C N 薄膜生长。由于热丝系统是一个典型的热反应系统，有利于避开复杂的等离子体反应的影响，为研究 S i C N薄膜的生长机理提供了一个有力工具。实验发现S i C N 薄膜是由 直径在3 微米左右的棒状颗粒组成的，而棒状颗粒是由纳米的 S i C N晶体和非晶成分构成的。S i C N 结构是由C 原子替代六方S i , N ; 中的S i 原子形成的， 在S i C N 薄膜中存在着复杂的C - N , S i - N 和N = C 键的共价键网络，而且S i C N 中的C
7、 原子和S i 原子是由N原子桥接起来的，不存在 S i - C键。温度不仅会影响 S i C N薄膜中氮的含量，而且会改变 S i , C , N这三种原子间的键合状态，过高的温度将使 N从S i C N薄膜中析出， 使得 S i 原子和C原子直接成键。 我们也利用我们这套系统的可编程控制的特点，成功地生长出了S i C N / 金刚石复合膜。第六章研究了 金刚石多层膜的生长。 在用氢等离子体反复处理灯丝以使其保持良 好状态的实验中，我们发现氢等离子体处理有利于提高金刚石膜的质量，而且处理中形成的多层膜的结构可以有效地释放薄膜中的应力，这也是一种生长无应力金刚石厚膜的新方法。通过对多层金刚石
8、膜生长速率变化的细致中国 科学技术大学研究生院博士论文分析，我们发现随着金刚石膜厚度的增加，生长速率不是保持不变的， 而是会随着厚度的增加而增加的。动力学分析的结果表明， 氢等离子体处理与薄膜生长速率的变化无关，生长速率的增加可以归结于随着膜厚增加而不断上升的薄膜表面温度，完全可以 用金刚石生长激活能理论来解释.并且我们认为这是H F C V D 生长金刚石厚膜的普遍规律，只是人们以 前从宏观上很难分辨出生长速率的变化，而氢等离子体的反复处理使薄膜形成的多层结构，给我们研究细致 的 薄 膜 ，率 的 IM , 提 供 了 一 个 机 令 厂 一Ab s t r a c tAb s t r a
9、c t卜D i a mo n d h a s r e c e i v e d c o n s i d e r a b l e a tt e n t i o n s b e c a u s e o f i t s e x c e l l e n tm e c h a n i c a l , t h e r m a l , o p t i c a l a n d e l e c t r i c p r o p e rt i e s . I n 1 9 8 0 s , d u e t o t h e f ir s t g r e a t a c h i e v e m e n t s i n lo
10、w p r e s s u r e C V D , d i a m o n d fi l m s b e c a m e a n e w h o t s p o t i n m a t e r i a ls c ie n c e a n d h a v e b e e n s t u d i e d b y l o t s o f r e s e a r c h e r s s p e c i a l i z e d i n p h y s i c s , c h e m i s t r y ,m e c h a n i c s , e l e c t r o n i c s o r ma t
11、 e r i a l s c i e n c e fi e l d s . H o w e v e r , t h e d e t a i l e d m e c h a n i s m o fd i a m o n d g r o w t h i s s t i l l u n c l e a r n o w . A n d m o s t o f c u r r e n t s y n t h e s i s d e v i c e s a r eo p e r a t e d m a n u a l l y , t h i s c a u s e s n o t o n l y t h
12、e c h a n g i n g o f t h e d i a m o n d g r o w th s i t u a t i o nc o u l d n t b e r e s p o n d e d i m m e d i a t e l y b u t a l s o m a n y m a n p o w e r r e s o u r c e s w e r e w a s t e dd u r i n g t h e g r o w th p r o c e s s e s . I n o r d e r t o s o l v e t h i s s i t u a t
13、i o n a n d f u r th e r m o r e t o o b t a i n s o m e e x p e r i e n c e s f o r f u t u r e i n d u s t ri a l p r o d u c t i o n , w e e s t a b l i s h e d a p r o g r a m m i n g - c o n t r o l l a b l e h o t - fi l a m e n t c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ( H F C V D ) s y
14、 s t e m t o r e a l i z e t h ep e o p l e - fr e e l y a u t o m a t i c g r o w t h o f d i a m o n d f i l m s . Mo r e o v e r , i n o r d e r t o i n c r e a s ed i a m o n d s g r o w th r a t e a n d q u a l i t y , t h e e f f e c t s o f n i t r o g e n a d d i t i o n o n d i a m o n dg r
15、 o w t h w e r e i n v e s t i g a t e d w i t h g as - p h a s e a n d s u r f a c e c h e m i c a l s i m u l a t i o n s a n d i n - s i t uo p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y d i a g n o s i s , a n d t h e m e c h a n i s m o f h e a t a n d m a s s t r a n s f e rd u r i n g
16、H F C V D p r o c e s s , t h e p o s s i b l e w a y o f o p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ( O E S )f e e d b a c k c o n t r o l b y i n - s i t u O E S w e r e i n v e s t i g a t e d t o o . I n a d d i t i o n , n o v e l S i C N f i lm s ,S i C N / d i a m o n d a n d d i a m o n d / d i a m o n d m u lt i - l a y e r e d f i l m s w e r e s u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e d w i t h t h i s H F C V D s y s t e m .I n C h a p t e r 1 , t h e h i s t o ry o
