微波等離子體CVD法制備金剛石膜的研究

  首先詳細解釋了水冷反應室式MWPCVD裝置的工作原理、結構和特點，并著重闡述了為該裝置配套的新型微波功率源的原理設計，采用高壓開關電源與普通不可控高壓整流電源串聯的獨特方式為磁控管提供陰極負高壓，并對陽極電流進行反饋控制，從而建立起高精度、大功率、快響應、抗干擾的壓控微波功率源，滿足沉積金剛石膜的需要。
    在平穩微波下進行了沉積金剛石膜的研究，得到下述結果：1）用金剛石粉進行基片預處理時，隨著處理方式??研磨、超聲、研磨加超聲??的不同，金剛石的形核密度也是不同的，研磨加超聲的處理方式能夠獲得zui大的形核密度，其次為研磨處理方式，而超聲處理方式獲得的形核密度zui小；選用較細的金剛石粉將有利于提高金剛石的形核密度，減小沉積膜中金剛石顆粒的尺寸。2）當微波功率為1200W時，在4.0~10.66kPa的氣壓范圍內，升高反應氣壓有利于提高金剛石膜的沉積質量；當微波功率為1500W時，在5.33~8.0kPa的低氣壓范圍內，升高氣壓亦有利于提高金剛石膜的沉積質量，但在8.0~12.0kPa的高氣壓范圍內，升高氣壓反而使金剛石膜的沉積質量發生劣化。3）較低的CH4濃度有利于沉積非金剛石相碳含量較低的金剛石膜；1%的適中CH4濃度有利于沉積結晶形態zui佳的金剛石膜。4）基片H2微波等離子體處理有利于降低沉積樣品中非金剛石相碳的含量，但不利于提高金剛石的形核密度。
    在脈動微波下進行了沉積金剛石膜的研究，得到下述結果：1）采用合適的脈動微波，能使金剛石膜的沉積質量顯著提高，并能使金剛石膜中的微晶石墨得到幾乎完全的抑制。2）過長或過短的平底時間或脈動周期均不利于金剛石膜中非金剛石相碳含量的降低，只有適中的平底時間或脈動周期才有zui佳的降低非金剛石相碳含量的效果。3）脈動微波會使金剛石的形核密度有所下降。4）脈動微波下，即使選用較高的CH4濃度，也能得到沉積質量比在平穩微波下采用較低的CH4濃度所制備的金剛石膜的沉積質量要明顯提高的金剛石膜。
    在平穩微波下研究了O2對金剛石膜的MWPCVD的影響。發現：1）在較低的O2濃度范圍內，增加O2濃度有利于提高金剛石膜的沉積質量；但在較高的O2濃度范圍內，增加O2濃度反而會降低金剛石膜的沉積質量。 2）在較低的O2濃度范圍內，增加O2濃度有利于提高金剛石的形核密度；但在較高的O2濃度范圍內，增加O2濃度反而會降低金剛石的形核密度。3）隨著反應氣壓的上升，沉積金剛石的O2濃度限是下降的。
    以平穩微波在CH4/H2反應氣體中對金剛石膜的低溫（低功率低壓）MWPCVD進行了研究，發現：1）即使基片溫度低至355℃，仍能實現金剛石膜及質量較好金剛石膜的沉積；2）當微波功率為900W時，在3.47~2.4 kPa的氣壓范圍內，降低反應氣壓有利于提高金剛石膜的沉積質量；3）在484~355℃的較低基片溫度下沉積出的金剛石膜中均存在壓應力。
    對MWPCVD金剛石膜進行了透光性研究，得出如下結論：1）用MWPCVD法可制備出紅外透明金剛石薄膜和金剛石自持膜；2）脈動微波有利于沉積透射率較大的金剛石膜薄膜和透射率較大、透光性較好的金剛石自持膜；3）在脈動微波下可制備出可見光區半透明金剛石自持膜。