【摘要】：本文采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法,研究了在單晶金剛石同質(zhì)外延生長過程中種晶溫度以及甲烷濃度對(duì)單晶金剛石缺陷的影響,并探索了單晶金剛石的擴(kuò)大現(xiàn)象。具體研究包括以下三個(gè)方面:1、在含有缺陷的單晶金剛石種晶上進(jìn)行同質(zhì)外延生長實(shí)驗(yàn),在其他沉積參數(shù)保持相同的情況下,改變單晶金剛石種晶的溫度,通過SEM、等離子體發(fā)射光譜、拉曼光譜以及XRD等表征手段分析了種晶溫度對(duì)單晶金剛石同質(zhì)外延生長時(shí)缺陷變化的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):單晶金剛石的溫度越高,金剛石表面的等離子體發(fā)射光譜中與C_2、H_α基團(tuán)對(duì)應(yīng)的譜線強(qiáng)度比值I(C_2)/I(H_α)越高,而電子溫度越低,等離子體中粒子間的碰撞更加劇烈。單晶金剛石生長速率隨溫度的升高而上升。通過SEM對(duì)生長前后的單晶金剛石缺陷處進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn),當(dāng)種晶溫度過低時(shí),單晶金剛石表面會(huì)在同質(zhì)外延生長后出現(xiàn)從缺陷處貫穿的裂痕;在種晶溫度適中(780-820℃)的沉積條件下,單晶金剛石表面缺陷有被抑制和覆蓋的趨勢(shì),缺陷面積減小;而在種晶溫度過高的情況下,缺陷面積發(fā)生擴(kuò)大且凸起更為明顯。通過對(duì)斷面的單晶金剛石進(jìn)行SEM表征發(fā)現(xiàn),缺陷的起源為一個(gè)金剛石表面的凸起點(diǎn),該缺陷在沉積過程中不斷擴(kuò)大。對(duì)同質(zhì)外延生長后單晶金剛石的斷面及生長面進(jìn)行Raman測(cè)試,結(jié)果顯示在較低與較高種晶溫度下生長的單晶金剛石質(zhì)量較差,金剛石特征峰會(huì)逐漸向低波數(shù)偏移,呈張應(yīng)力增大的趨勢(shì);而在種晶溫度適中下生長的單晶金剛石質(zhì)量較好,金剛石特征峰偏移小,呈現(xiàn)的應(yīng)力較小。通過XRD測(cè)試表征也發(fā)現(xiàn)在種晶溫度適中下生長的單晶金剛石半高寬低,質(zhì)量相對(duì)較好。最后在無缺陷的單晶金剛石種晶上使用適中的種晶溫度同質(zhì)外延生長,可以獲得透明度高且表面光滑的單晶金剛石。2、在對(duì)含有缺陷的單晶金剛石分別用不同的甲烷濃度進(jìn)行同質(zhì)外延生長的過程中,通過發(fā)射光譜發(fā)現(xiàn)隨著甲烷濃度的增加,金剛石表面的等離子體發(fā)射光譜中與C_2、H_α基團(tuán)對(duì)應(yīng)的譜線強(qiáng)度比值I(C_2)/I(H_α)越高,而電子溫度增高,等離子體內(nèi)粒子間的碰撞劇烈程度減弱。而通過SEM以及金相顯微鏡等表征方法發(fā)現(xiàn),除在4%的甲烷濃度下缺陷面積未擴(kuò)大,其他甲烷濃度下缺陷面積與缺陷凸起程度都有明顯增加。而通過拉曼光譜表征觀察到,隨甲烷濃度增加,金剛石特征峰向低波數(shù)方向偏移,張應(yīng)力呈增大趨勢(shì),且非晶碳峰也隨之增強(qiáng),反映出甲烷濃度越高,單晶金剛石質(zhì)量越差。結(jié)合測(cè)試表征的結(jié)果認(rèn)為,甲烷濃度增大不利于抑制單晶金剛石中缺陷的生長,而低甲烷濃度有利于抑制缺陷擴(kuò)大,低甲烷濃度可以保證單晶金剛石的生長質(zhì)量,但生長速率較慢。3、研究了單晶金剛石的二維擴(kuò)大。利用優(yōu)化的單晶金剛石外延生長條件,通過對(duì)單晶金剛石生長面進(jìn)行生長前的倒角處理和襯底托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在7×7×0.55mm~3的種晶上實(shí)現(xiàn)單晶金剛石的二維擴(kuò)大生長獲得厚度為1.5mm,尺寸為8.6×8.6mm~2的單晶金剛石,生長速率達(dá)到20μm/h。分析表明通過對(duì)單晶金剛石四個(gè)邊進(jìn)行倒角處理可以使得倒角處溫度與生長面溫度相近,避免邊緣處因沉積溫度高而出現(xiàn)多晶生長。單晶金剛石種晶面略高于襯底托表面(0.1mm),有利于等離子體在單晶金剛石種晶表面均勻集聚,有利于側(cè)向擴(kuò)大生長,在此基礎(chǔ)上提出對(duì)了單晶金剛石的二維擴(kuò)大方法。
【學(xué)位授予單位】：武漢工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O77;TQ163

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