畢業(yè)論文正文

《畢業(yè)論文正文》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、第一章前言化學(xué)氣相沉積法（CVD=ChemicalVaporDeposition）合成金剛石[1,2]是指在低壓條件（≤100kPa）下，采用一定方法激活含碳?xì)怏w，使其中的碳原子在基底（種晶）上過飽和沉積、生長成金剛石。碳源氣體被激活和碳原子的沉積過程伴隨著一系列化學(xué)反應(yīng)，因此這種合成金剛石的方法被稱為化學(xué)氣相沉積法。要實(shí)現(xiàn)金剛石的化學(xué)氣相沉積有幾個(gè)必要條件：1）有碳源氣體和激活碳源氣體的能量，將碳原子從碳源氣體中“剝離”出來;2）有供CVD金剛石生長的物理空間，即基底，或稱種晶，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌蛇x用不

2、同的基底，常用作基底的材料有硅、鎢、鉬、等，但目前CVD法合成單晶金剛石必須采用金剛石作種晶，才能實(shí)現(xiàn)單晶CVD金剛石的同質(zhì)外延生長;3）有供化學(xué)氣相沉積反應(yīng)發(fā)生的生長室，且有配套設(shè)施提供生長所需的低壓環(huán)境;4）有氫氣，碳原子的激活和沉積，以及CVD金剛石的生長必須要在高濃度的氫氣中進(jìn)行。依照激活反應(yīng)氣體的能量和方法的不同，化學(xué)氣相沉積法可分為熱絲法和等離子體法兩大類，其中等離子體法又根據(jù)激活等離子體的能量不同分為微波等離子體化學(xué)氣相沉積法等四大類。熱絲法化學(xué)氣相沉積電子輔助熱絲法化學(xué)氣相沉積熱絲法微波等離

3、子體化學(xué)氣相沉積射頻等離子體化學(xué)氣相沉積直流放電等離子體化學(xué)氣相沉積熱等等離子體化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積法等離子體法微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）是目前最廣泛使用的CVD技術(shù)，與熱絲法等其他幾種技術(shù)相比，微波等離子體法反應(yīng)條件穩(wěn)定，生長晶體質(zhì)量高，設(shè)備簡單，成本合理。目前國外已有數(shù)十家科研機(jī)構(gòu)能夠以極高的速率（200μmh-1以上）生長優(yōu)質(zhì)CVD厚單晶金剛石，高溫高壓處理后的CVD金剛石單晶具有極高的斷裂韌性和硬度，不僅僅是作為寶石，其力學(xué)性能，化學(xué)，光學(xué)和電子特性可以在大量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在未來

4、的十年內(nèi)，高速生長合成出的化學(xué)氣相沉積（CVD）單晶金剛石將引領(lǐng)一場超硬材料領(lǐng)域的革命?！?.1起源1952年美國聯(lián)邦碳化硅公司的WilliamEversole[3]在低壓條件下用含碳?xì)怏w成功地同質(zhì)外延生長出金剛石。但生長速度很慢，這一技術(shù)并不被看好。1982年，日本國家無機(jī)材料研究所[4]（NIRIM）研發(fā)出微波等離子體法、高頻等離子法、電弧噴射吹管法，熱絲法各種化學(xué)氣相沉積技術(shù)合成多晶金剛石薄膜，將其生長率提高到10μmh-1，CVD法合成金剛石開始受到關(guān)注，全球多家科研機(jī)構(gòu)開始對其進(jìn)行研究?！?.2M

5、PCVD技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀微波等離子體化學(xué)氣相沉積包括一系列氣相和表面化學(xué)反應(yīng)，以及反應(yīng)產(chǎn)物--金剛石在基底表面的沉積。金剛石沉積過程包含成核和生長過程。有許多碳源氣體可以使用，甲烷是最常使用的一種。1981年，Spitsyn等[5]發(fā)現(xiàn)，添加氫原子可以使金剛石種晶生長面的化學(xué)氣相沉積熱力學(xué)過程穩(wěn)定，促進(jìn)金剛石增長，并刻蝕非金剛石相的碳，生長率為1μmh-1。圖1.1MPCVD法合成多晶體金剛石SEM圖像圖1.2CVD合成單晶體金剛石[6]（刻面型,無色透明，臺面為黃色HTHP合成金剛石，腰部和亭部為CV

6、D單晶生長層，厚1.95mm）生長過程緩慢（0.1-10μmh-1）會導(dǎo)致成本過高[3]，不能實(shí)現(xiàn)單晶化學(xué)氣相沉積金剛石的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。20世紀(jì)80年代末[7]，CVD法生長單晶顆粒、多晶薄膜，和外延生長薄膜的技術(shù)得到發(fā)展，但大多數(shù)厚聚晶金剛石膜（大于10μm）不透明，質(zhì)量不佳。同時(shí)期，戴比爾斯公司的工業(yè)金剛石部[8]（元素六--ElementSix公司前身）開始從事CVD法合成金剛石的研究，合成出大量CVD多晶質(zhì)金剛石工業(yè)產(chǎn)品，迅速在這個(gè)領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位。一般來說，基底溫度，等離子體密度，以及基底材料對

7、金剛石晶體的結(jié)晶度起著決定作用，單晶金剛石沉積需要使用單晶金剛石作為基底。1991年，Snail等[9]使用天然金剛石作為種晶，在1150-1500℃范圍內(nèi)成功同質(zhì)外延生長出CVD單晶金剛石膜，生長率高達(dá)100-200μmh-1，但在溫度和生長過程控制上還有相當(dāng)大的困難，合成的晶體只有0.1-1mm厚。由于天然金剛石種晶成本較高，加之高溫高壓合成金剛石技術(shù)的快速發(fā)展，更多人傾向于使用高溫高壓合成Ib型金剛石為種晶。金剛石種晶[10,11,12]通常是切成薄板狀，其頂、底面大致平行于金剛石的立方體面（100）

8、方向，晶面誤差角2-5°，大小2×2×0.5mm3至10×10×1mm3，要求生長面精密拋光，平整無缺陷，內(nèi)部干凈，在生長前置于丙酮中超聲波清洗。1992年，美國GE公司[6]宣布生產(chǎn)出透明多晶CVD金剛石厚膜，CVD法開始在珠寶業(yè)得到應(yīng)用。即把多晶質(zhì)金剛石膜（DF）和似鉆碳體（DLC）作為涂層（鍍膜）用于某些天然寶石以及對金剛石進(jìn)行優(yōu)化處理，但效果并不理想。1993年，Badzian等[13]使用微波等離子體輔