毕业论文正文

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1、第一章前言化学气相沉积法（CVD=ChemicalVaporDeposition）合成金刚石[1,2]是指在低压条件（≤100kPa）下，采用一定方法激活含碳气体，使其中的碳原子在基底（种晶）上过饱和沉积、生长成金刚石。碳源气体被激活和碳原子的沉积过程伴随着一系列化学反应，因此这种合成金刚石的方法被称为化学气相沉积法。要实现金刚石的化学气相沉积有几个必要条件：1）有碳源气体和激活碳源气体的能量，将碳原子从碳源气体中“剥离”出来;2）有供CVD金刚石生长的物理空间，即基底，或称种晶，根据实验目的的不同可选用不

2、同的基底，常用作基底的材料有硅、钨、钼、等，但目前CVD法合成单晶金刚石必须采用金刚石作种晶，才能实现单晶CVD金刚石的同质外延生长;3）有供化学气相沉积反应发生的生长室，且有配套设施提供生长所需的低压环境;4）有氢气，碳原子的激活和沉积，以及CVD金刚石的生长必须要在高浓度的氢气中进行。依照激活反应气体的能量和方法的不同，化学气相沉积法可分为热丝法和等离子体法两大类，其中等离子体法又根据激活等离子体的能量不同分为微波等离子体化学气相沉积法等四大类。热丝法化学气相沉积电子辅助热丝法化学气相沉积热丝法微波等离

3、子体化学气相沉积射频等离子体化学气相沉积直流放电等离子体化学气相沉积热等等离子体化学气相沉积化学气相沉积法等离子体法微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）是目前最广泛使用的CVD技术，与热丝法等其他几种技术相比，微波等离子体法反应条件稳定，生长晶体质量高，设备简单，成本合理。目前国外已有数十家科研机构能够以极高的速率（200µmh-1以上）生长优质CVD厚单晶金刚石，高温高压处理后的CVD金刚石单晶具有极高的断裂韧性和硬度，不仅仅是作为宝石，其力学性能，化学，光学和电子特性可以在大量领域得到广泛应用。在未来

4、的十年内，高速生长合成出的化学气相沉积（CVD）单晶金刚石将引领一场超硬材料领域的革命。§1.1起源1952年美国联邦碳化硅公司的WilliamEversole[3]在低压条件下用含碳气体成功地同质外延生长出金刚石。但生长速度很慢，这一技术并不被看好。1982年，日本国家无机材料研究所[4]（NIRIM）研发出微波等离子体法、高频等离子法、电弧喷射吹管法，热丝法各种化学气相沉积技术合成多晶金刚石薄膜，将其生长率提高到10µmh-1，CVD法合成金刚石开始受到关注，全球多家科研机构开始对其进行研究。§1.2M

5、PCVD技术的发展历史及现状微波等离子体化学气相沉积包括一系列气相和表面化学反应，以及反应产物--金刚石在基底表面的沉积。金刚石沉积过程包含成核和生长过程。有许多碳源气体可以使用，甲烷是最常使用的一种。1981年，Spitsyn等[5]发现，添加氢原子可以使金刚石种晶生长面的化学气相沉积热力学过程稳定，促进金刚石增长，并刻蚀非金刚石相的碳，生长率为1µmh-1。图1.1MPCVD法合成多晶体金刚石SEM图像图1.2CVD合成单晶体金刚石[6]（刻面型,无色透明，台面为黄色HTHP合成金刚石，腰部和亭部为CV

6、D单晶生长层，厚1.95mm）生长过程缓慢（0.1-10µmh-1）会导致成本过高[3]，不能实现单晶化学气相沉积金刚石的大规模工业生产。20世纪80年代末[7]，CVD法生长单晶颗粒、多晶薄膜，和外延生长薄膜的技术得到发展，但大多数厚聚晶金刚石膜（大于10µm）不透明，质量不佳。同时期，戴比尔斯公司的工业金刚石部[8]（元素六--ElementSix公司前身）开始从事CVD法合成金刚石的研究，合成出大量CVD多晶质金刚石工业产品，迅速在这个领域取得领先地位。一般来说，基底温度，等离子体密度，以及基底材料对

7、金刚石晶体的结晶度起着决定作用，单晶金刚石沉积需要使用单晶金刚石作为基底。1991年，Snail等[9]使用天然金刚石作为种晶，在1150-1500℃范围内成功同质外延生长出CVD单晶金刚石膜，生长率高达100-200µmh-1，但在温度和生长过程控制上还有相当大的困难，合成的晶体只有0.1-1mm厚。由于天然金刚石种晶成本较高，加之高温高压合成金刚石技术的快速发展，更多人倾向于使用高温高压合成Ib型金刚石为种晶。金刚石种晶[10,11,12]通常是切成薄板状，其顶、底面大致平行于金刚石的立方体面（100）

8、方向，晶面误差角2-5°，大小2×2×0.5mm3至10×10×1mm3，要求生长面精密抛光，平整无缺陷，内部干净，在生长前置于丙酮中超声波清洗。1992年，美国GE公司[6]宣布生产出透明多晶CVD金刚石厚膜，CVD法开始在珠宝业得到应用。即把多晶质金刚石膜（DF）和似钻碳体（DLC）作为涂层（镀膜）用于某些天然宝石以及对金刚石进行优化处理，但效果并不理想。1993年，Badzian等[13]使用微波等离子体辅