甲烷浓度对金刚石单晶生长的影响和金刚石刻蚀坑的研究

【摘要】：微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）制备金刚石，是实现高速率高质量金刚石单晶生长的主要手段。甲烷浓度对金刚石单晶的生长以及结晶质量具有决定性作用。在高速生长的基础上，甲烷浓度的提高引起的变化主要包括： (1)改变等离子体中金刚石相前驱物、非金刚石相前驱物以及H原子的浓度比例。相较其他基团，非金刚石相前驱物C2随甲烷浓度的增加有较大幅度的增加，等离子体内刻蚀作用呈先增大后减小的趋势，使金刚石质量先提高后下降。 (2)提高金刚石的成核率、生长速率,生长模式随之发生改变，致使高甲烷浓度下金刚石的生长速率较高，台阶密度增加，表面形貌变差。 (3)降低N的扩散。单晶的生长过程中，N是由扩散作用进入晶体内。N2通入量不变的情况下，单晶沉积速率的增加使N得相对扩散速率降低，外延层中N含量降低。 H2/O2等离子体可以刻蚀非金刚石相，同时对金刚石相也有一定影响。它对金刚石单晶表面抛光遗留缺陷有很好的祛除作用。本文初步研究H2/O2等离子体刻蚀对单晶表面形貌的影响。通过对四种不同单晶刻蚀情况进行对比，得出： (1)等离子体刻蚀主要对非金刚石相和晶界进行刻蚀，故在缺陷附近的刻蚀坑密度较高。 (2)由于本实验所用HTHP单晶金刚石结晶质量较CVD单晶金刚石差，相同条件下HTHP单晶表面刻蚀强度比CVD单晶刻蚀强度大。反之，可以通过比较表面刻蚀坑密度大小等来判断金刚石单晶质量的好坏。 (3)由于缺陷种类不同，HTHP单晶表面的刻蚀坑呈平台状，而CVD单晶的刻蚀坑形状不规则，大致呈倒锥形状。 (4)随刻蚀时间的增加，由机械抛光引入缺陷产生的刻蚀坑逐渐消失，而晶体内部缺陷引发的刻蚀坑则不会消失。 【关键词】：MPCVD 甲烷浓度 等离子体 刻蚀坑
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ164.8;O78
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-24
• 1.1 概述9
• 1.2 金刚石结构9
• 1.3 金刚石的性质9-11
• 1.3.1 机械性能9-10
• 1.3.2 热学性质10
• 1.3.3 光学性质10
• 1.3.4 声学性质10-11
• 1.3.5 电学性质11
• 1.3.6 化学性质11
• 1.4 金刚石分类及研究历史11-14
• 1.5 金刚石的制备方法14-17
• 1.5.1 热丝直流等离子体法(HFCVD)14-15
• 1.5.2 微波等离子体法(MPCVD)15-16
• 1.5.3 直流电弧等离子喷射 CVD 法(DAPCVD)16-17
• 1.6 CVD 单晶金刚石的生长条件17-23
• 1.6.1 功率密度18
• 1.6.2 籽晶衬底18-19
• 1.6.3 反应温度19
• 1.6.4 甲烷浓度（CH4）19-20
• 1.6.5 添加气体20-23
• 1.7 选题及主要研究内容23-24
• 第二章 实验设备及表征24-26
• 2.1 本文使用的实验设备24
• 2.2 实验使用的测试手段24-26
• 2.2.1 金相显微镜24-25
• 2.2.2 激光拉曼光谱（Raman）25
• 2.2.3 光致发光（PL）25
• 2.2.4 扫描电子显微镜（SEM）25
• 2.2.5 光发射谱（OES）25-26
• 第三章 甲烷对单晶生长的影响26-36
• 3.1 实验步骤26
• 3.2 实验结果及分析26-34
• 3.2.1 生长速率26-27
• 3.2.2 OES27-29
• 3.2.3 拉曼和 PL29-31
• 3.2.4 金刚石的表面形貌31-34
• 3.3 本章结论34-36
• 第四章 金刚石刻蚀坑的研究36-46
• 4.1 引言36-37
• 4.2 实验方法及表征手段37
• 4.3 刻蚀结果比较37-45
• 4.3.1 刻蚀前后对比38-39
• 4.3.2 CVD 单晶金刚石与 HTHP 单晶金刚石刻蚀对比39-41
• 4.3.3 有氧刻蚀和无氧刻蚀的对比41-42
• 4.3.4 延长刻蚀时间对刻蚀的影响42-45
• 4.4 本章小结45-46
• 第五章 全文总结46-48
• 参考文献48-56
• 作者简介56-57
• 致谢57

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