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CVD 单晶金刚石片体的制备技术

2025-03-19
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1.    原理:利用微波将反应气体激发形成等离子体。微波频率一般在 2.45GHz,在微波作用下,反应气体中的电子获得能量,与气体分子碰撞,使其电离分解,形成等离子体区域。在等离子体中,含碳活性粒子在单晶金刚石衬底上沉积并外延生长,逐渐形成单晶金刚石片体。

2.    设备组成:主要由微波发生器、微波传输系统、反应腔室、气体供给系统、真空系统、温度控制系统和等离子体诊断系统等构成。微波发生器产生高功率微波;微波传输系统将微波高效传输至反应腔室;反应腔室为等离子体产生和金刚石生长提供空间;气体供给和真空系统与 HFCVD 类似;温度控制系统精确控制衬底温度;等离子体诊断系统用于监测等离子体的参数,如电子密度、温度等,以便优化生长条件。

3.    优缺点:优点是能精确控制等离子体参数,生长环境纯净,可制备出高质量、大面积的单晶金刚石片体,生长速率相对较高,可达每小时数十微米。缺点是设备复杂、成本高昂,对操作人员技术要求高,且微波设备的维护和运行成本也较高。

直流电弧等离子体喷射化学气相沉积(DC Arc Plasma Jet CVD)

1.    原理:通过直流电弧放电,在电极间形成高温等离子体射流。电弧电压一般在几十伏到上百伏,电流可达几百安培。反应气体通过等离子体射流区域时被迅速加热分解,产生的含碳活性物种在衬底表面沉积生长为单晶金刚石片体。

2.    设备组成:主要包括直流电源、电弧发生器、反应腔室、气体供给系统、真空系统、冷却系统和衬底移动装置等。直流电源提供稳定的电弧放电能量;电弧发生器产生高温等离子体射流;反应腔室容纳等离子体射流和生长过程;气体供给和真空系统维持反应环境;冷却系统用于冷却电极和反应腔室;衬底移动装置可实现衬底在不同位置的生长,有利于均匀生长大面积单晶金刚石。

3.    优缺点:优点是沉积速率极高,可达每小时数百微米,适合快速制备较厚的单晶金刚石片体。缺点是设备稳定性较差,等离子体射流的不均匀性易导致金刚石生长质量不稳定,且设备运行过程中会产生较大噪音和电磁干扰,对工作环境有一定要求。

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