MPCVD金刚石膜沉积系统谐振腔的模拟、设备的建立和金刚石膜的沉积54829

分类号：____________密级：______________TG164公开ＵＤＣ：____________单位代码：______________１０００８北京科技大学博士学位论文论文题目：MPCVD金刚石膜沉积系统谐振腔的模拟、设备的建立和金刚石膜的沉积学号：_________________________B20040240作者：_________________________王凤英专业名称：_________________________材料学2008年12月31日北京科技大学博士学位论文论文题目：MPCVD金刚石膜沉积装置的模拟、建立与金刚石膜的沉积作者：_________________________王凤英指导教师：唐伟忠教授单位：北京科技大学指导小组成员：单位：单位：论文提交日期：2008年12月31日学位授予单位：北京科技大学MPCVD金刚石膜沉积装置的模拟、建立与金刚石膜的沉积SimulationandDevelopmentofMicrowavePlasmaCVDReactorsforDiamondFilmsDeposition研究生姓名：王凤英指导教师姓名：唐伟忠北京科技大学材料科学与工程学院北京100083，中国DoctorDegreeCandidate：WangFeng-yingSupervisor：TangWei-zhongSchoolofMaterialsScienceandEngineeringUniversityofScienceandTechnologyBeijing30XueyuanRoad，HaidianDistrictBeijing100083，P.R.CHINA北京科技大学博士学位论文独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：___________日期：____________关于论文使用授权的说明本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵循此规定）签名：___________导师签名：___________日期：____________北京科技大学博士学位论文摘要微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法是目前国际上被用于高品质金刚石膜制备的首选方法，但该方法所涉及的装置技术相对复杂、初期投资大。并且，为了保证金刚石膜有相对较高的沉积速率、质量以及适当大的沉积面积，所需MPCVD金刚石膜沉积设备的功率水平一定要比较高。目前，许多发达国家均已具备了以高功率MPCVD法制备高品质金刚石膜的能力。而相比之下，我国的高功率MPCVD技术却一直发展缓慢。为了缩小国内外在微波法制备高品质金刚石膜方面的巨大差距，提升我国高品质金刚石膜沉积技术的水平，其关键之一就是要突破高功率MPCVD金刚石膜沉积装置这一难点。为此，本文系统开展了MPCVD金刚石膜沉积装置谐振腔模拟技术的研究。论文取得的主要成果包括：使用时域有限差分（FDTD）法，系统模拟了多种不同的MPCVD装置的谐振腔，获得了不同金刚石膜沉积条件下，谐振腔中电场和等离子体的分布规律；通过对椭球形谐振腔MPCVD装置的模拟，不仅实现了对该装置的优化，并且发现了多个新的椭球形谐振腔的谐振模式系列，它们不仅具有很高的谐振腔效率，而且其谐振条件可以被很简洁地表达出来；模拟了富氩气氛条件下纳米金刚石膜的沉积环境；成功建立了椭球形谐振腔式的MPCVD金刚石膜沉积装置，并利用此装置制备了微米、纳米不同晶粒尺度的金刚石膜。模拟结果表明,椭球形谐振腔式的MPCVD装置在下述三个方面具有显著的优点。首先，椭球形谐振腔式的MPCVD装置能更好地将输入的微波功率集中于电场的主强区，即它对输入的微波功率利用率较高。其次，椭球形谐振腔式的MPCVD装置更适合于在高功率下运行，而这对金刚石膜质量的提升有着重要的意义。第三，与其他类型的MPCVD装置相比，椭球形谐振腔式的MPCVD装置将更适用于实现富氩气气氛条件下纳米金刚石膜的沉积。上述的研究结果对我国MPCVD金刚石膜沉积技术的发展将起到一定的推动作用。关键词：金刚石膜，数值模拟，微波等离子体，化学气相沉积，椭球形反应装置I北京科技大学博士学位论文SimulationandDevelopmentofMicrowavePlasmaCVDReactorsforDiamondFilmsDepositionAbstractHighpowermicrowaveplasmachemicalvapordeposition（MPCVD）isthepreferredtechnologytoproducehigh-qualitydiamondfilms.However,MPCVDtechnologyisrelativelycomplexandtheinvestmentforthedevelopmentoftheequipmentsisrelativelyhigh.Untilnow,developedcountrieshavedevelopedthecapabilityofproducinghighqualitydiamondfilmswithhighpowerMPCVDsystems.Incontrary,developmentofhighpowerMPCVDsystemsinChinaisrelativelyslow.ToreducethehugegapinhighqualitydiamondfilmstechnologybetweenthedevelopedcountriesandChina,oneofthekeyissuesistodevelophighpowerMPCVDtechnologiesofourcountry.Insuchacircumstance,weconductedaninvestigationonsimulationofmicrowavecavitiesofMPCVDsystemsfordiamondfilmsdeposition.Mainachievementsofthepresentdissertationcouldbesummarizedasfollows.Firstly,finitedifferencetimedomain(FDTD)methodhasbeenusedtosimulateMPCVDsystems,andmicrowaveelectromagneticfieldandplasmadensityinthesystemsarederived.Secondly,bysystematicallysimulatingtheellipsoidalMPCVDsystem,anewseriesofoptimizeddesignhavebeenfound，withtheirdesigncriteriasimplydescribed.Thirdly,argonrichdepositionenvironmentismodeled,toprovideknowledgeonnano-diamondfilmsdeposition.Andlastly,anewellipsoidalMPCVDsystemhasbeensetup,andconventionalaswellasnano-diamondfilmshavebeendeposited.TheresultsofthesimulationprovethattheellipsoidalMPCVDsystemdesignedbythesimulationhasthefollowingadvantages.Itiscapabletoefficientlyconcentratemicrowaveenergytothepointwherediamondfilmsaretobedeposited,itcanbeoperatedathighpowerlevels,beneficialtoenhancequalityofdiamondfilms;anditismoresuitabletobeusedinargonrichatmosphere,apreconditiontoproducenano-diamondfilms.TheprogressofthepresentinvestigationwillsurelybenefitthedevelopmentofMPCVDtechnologyinChina.KeyWords:Diamondfilm,Simulation,Microwaveplasma,Chemicalvapordeposition,EllipsoidalmicrowaveplasmareactorII北京科技大学博士学位论文目录摘要.............................................................................................................................1引言.............................................................................................................................11金刚石膜沉积技术的发展现状....................................................................................41.1金刚石的优异特性与金刚石的应用.................................................................41.2金刚石膜和其化学气相沉积方法.....................................................................61.2.1热丝CVD法...............................................................................................61.2.2氧-乙炔火焰CVD法.................................................................................71.2.3直流等离子体喷射CVD法......................................................................81.2.4微波等离子体CVD法..............................................................................91.3微波等离子体CVD法的发展历史与现状........................................................91.3.1国外微波等离子体CVD法的发展历史与现状...................................101.3.2国内微波等离子体CVD法的发展与现状...........................................131.4微波等离子体金刚石膜沉积装置数值模拟技术的发展现状.............