微波等离子体化学气相沉积法在金刚石衬底上生长金刚石的多变量研究

摘要： 氢气（H2）混合气体中的基底温度与甲烷浓度是提升合成钻石生长速率、成核密度及晶粒尺寸的主要因素，但该方法会降低品质。虽然提高腔室压力可改善品质，却会导致晶体生长速率下降。采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术在氢气（H2）与甲烷（CH4）混合气体中沉积了薄层钻石薄膜，研究了甲烷浓度（1-5%）、生长温度及压力对钻石基底上钻石薄膜成核的影响。生长温度与压力分别维持在925-950℃和72-75托范围内，在钻石基底上制备的单晶钻石（SCD）薄膜对钻石探测器应用具有重要价值。通过优化工艺，在厚度分别为209.17微米（1%甲烷）、401.73微米（2%甲烷）和995.03微米（5%甲烷）的钻石基底上获得了不同尺寸的薄膜。经测试，当甲烷浓度为5%且基底温度优化至950℃时，薄膜粗糙度为5.02微米/小时，生长速率为4.23纳米/分钟。运用多种表征技术分析了沉积钻石薄膜的结构、形貌及成分特性，证实了钻石基底上所形成钻石薄膜的晶体有序性。