PECVD钻石 等离子增强化学沉积法生产高质量钻石膜

导读:早在上世纪 90 年代初,研究者就开始了 PECVD法沉积高质量钻石膜的研究,但当时所用的混合气体的比例 n(CH 4 )∶n(H 2 ) 很低, 一般小于 5 % , 总气压一般低于 100 torr ,衬底温度一般低...

早在上世纪 90 年代初,研究者就开始了 PECVD法沉积高质量钻石膜的研究,但当时所用的混合气体的比例 n(CH 4 )∶n(H 2 ) 很低, 一般小于 5 % , 总气压一般低于 100 torr ,衬底温度一般低于 1 000 ℃ [14-17] ,这样的生长条件直接导致了缓慢的沉积速率 ( 约 1 μm/h) 。

同样是上世纪 90 年代初,研究发现,在反应气体中加入少量的 N 2 有利于钻石 (100) 织构的平滑生长 [18-20] 。

1996 年, MüllerSebert W 等人 [21] 的研究指出, N 2 的加入能够显著促进钻石的生长(含 N 2 的生长速率为

不含 N 2 的 5 倍以上)。 虽然发现了 N 原子对钻石生长的促进作用, 但是当 时并没有关于 PECVD 技

术高速(大于 50 μm/h )生长单晶钻石的报道。

本文综述近十年来 PECVD 技术合成单晶钻石的研究进展, 主要介绍了在该研究领域处于领先水平的两个研究机构 (美国 华盛顿卡内 基研究所( Carnegie Institution of Washington DC ) 和日 本产业技术综合研究所( AIST )所取得的研究进展, 并对未来的研究方向做出展望。

1 PECVD技术合成大单晶钻石的研究进展

1.1 高速合成单晶钻石

从早期的低碳源浓度、低气压、低功率密度所获得的低生长速率来看, 要提高生长速率就应该给生长提供足够多的原料(含碳活性基团)和生长所需能量(微波功率密度), 这两点可以说是提高生长速率的基本要素。 1 )提高碳源浓度( CH 4 /H 2 的比例)。 碳源浓度的提高, 使得反应气体中单位体积内的含碳活性基团增多, 为钻石的生长提供更充足的原料;

2 )提高反应气压与微波功率。反应气压的提高, 除了有增加含碳活性基团的作用外, 还能压缩等离子体球的体积。 因为, 微波功率密度 = 微波功率 / 等离子体球体积, 所以提高微波功率和压缩等离子体球的体积能够提高等离子体的功率密度。

在此基础上加入 N 2 是获得高生长速率的一个关键因素, 尽管 N 2 对钻石沉积的影响机制到目 前为止仍不是很清楚, 但是其对钻石沉积速率的促进作用早已得到证实 [21] 。 

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