【摘 要】
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金刚石是少有的兼具一系列优异物理和化学性能于一体的功能材料，在许多领域具有巨大应用潜力。本文在研究射频电感耦合等离子体的特点基础上提出了射频电感耦合等离子体喷射化
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金刚石是少有的兼具一系列优异物理和化学性能于一体的功能材料，在许多领域具有巨大应用潜力。本文在研究射频电感耦合等离子体的特点基础上提出了射频电感耦合等离子体喷射化学气相沉积(CVD)法，并自行设计研发出双频电感耦合等离子体喷射CVD系统，采用该系统在同质衬底上成功制备出单晶金刚石。具体研究如下: 一、在解决常规单射频等离子体CVD中存在的问题基础上，设计研发出双频电感耦合等离子体喷射CVD系统，并对其等离子体进行诊断研究。 1.采用光发射谱(OES)对等离子体进行原位检测，实验结果显示，双频电感耦合等离子体具有稳定的成分和空间分布，计算最大电子温度为3.28eV，电子密度为8.12×1021m-3;提高甲烷浓度和氩氢比例有利于促进C2，抑制CH，而增加压强则相反。电子温度随甲烷浓度增加增大，但是与氩氢比例和压强呈现出相反变化趋势的关系。 2.采用质谱仪(MS)对等离子体进行诊断，研究各粒子相对浓度的变化趋势。结果表明:等离子体中的碳氢基团包括Cx(x=1-3)、CHy(y=1-4)和C2Hy(y=1-6)等多种活性基元。提高甲烷浓度后，C2、C2H、CH和C2H2这四种粒子含量明显增多。而氩气增加，所有粒子含量均呈现出下降的趋势。 二、采用双频电感耦合喷射等离子体CVD系统在异质衬底上生长金刚石，研究不同工艺参数，包括甲烷浓度，氩氢比例和腔体压强对金刚石膜的形貌、质量、以及生长速度的影响，结果表明: 1.采用金刚石粉研磨+悬浊液超声+高甲烷浓度形核预处理，有利于提高金刚石形核率，缩短成膜时间。 2.增加甲烷浓度和氩氢比具有促进二次形核作用，导致样品由微晶金刚石逐渐转变为典型的“菜花状”纳米晶金刚石，质量变差。甲烷浓度和氩氢比对生长速度的影响关系均呈现出先增加后降低的趋势。 3.增加腔体压强抑制二次形核，减少非金刚石相的成分。腔体压强与生长速度存在极值关系，在8000Pa时出现最大值约1μm/h。 三、基于异质衬底生长金刚石参数的影响规律，分别在3×3mm2和5×5mm2两种规格的高温高压(HTHP)Ib型单晶衬底进行同质生长单晶。 1.采用开放式的衬底基座，在3×3 mm2籽晶上制备单晶，出现了明显的分区生长现象，即一部分为台阶型生长的金刚石单晶，另一部分为无序生长的石墨相。这与衬底基座的几何形状导致籽晶周围等离子体流场不稳定和衬底温度不均有关。 2.采用封闭式衬底基座，在5×5mm2籽晶上生长出均匀的金刚石单晶层，且经表征后发现样品质量接近HTHP Ib型单晶。 本论文的工作表明双频电感耦合等离子体喷射CVD系统可以进行单晶金刚石的制备，这是继微波CVD法和直流电弧等离子体CVD法之后又一种可以进行大面积单晶金刚石制备的方法。
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