动磁场作用下热丝CVD金刚石膜的可控沉积及其机理研究

After nearly thirty years of research and development, CVD diamond has made great progress in the aspects such as nucleation growth mechanism, deposition method and technology, film quality. But there are still several challenges: precise control of nucleation growth, and effectively improvement of deposition uniformity and diamond growth rate. The project is aimed at the current challenges during CVD diamond film deposition. A dynamic magnetic field (angular frequency ω: 0~1000π rad/s, the magnetic flux density B:0~500Guass) is used to regulate the chemical vapor deposition in hot filament CVD system. The influence of angular frequency and magnetic flux of dynamic magnetic field on the surface morphology, microstructure and growth rate of the diamond film deposited under the dynamic magnetic field is systemically discussed. The discipline of diamond deposition under dynamic magnetic field is explored. By gas chemistry and the kinetics of electronic-gas molecular collision enhanced by dynamic magnetic field as a starting point, the gas-surface process of CVD diamond deposition is studied in detail, and CVD diamond growth/nucleation mechanism is proposed. Finally，controllable deposition of CVD diamond film is achieved.

经过近三十年的研究与发展，化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)金刚石膜在形核生长机理、沉积方法与工艺、薄膜质量等方面取得了较大进展，但仍存在以下几方面的挑战：形核生长的精确控制，沉积均匀性与生长速率的提升。本项目拟针对CVD金刚石膜沉积面临的挑战问题，通过动磁场(角频率ω:0~1000π rad/s、磁感应强度B:0~500Guass)来调控热丝CVD金刚石膜的沉积过程，提高CVD金刚石膜的生长速率与沉积均匀性。系统考察磁场角频率、磁感应强度对金刚石膜表面形貌、微观组织结构及沉积质量的影响，探究动磁场作用下CVD金刚石膜沉积的调控规律。以磁场约束电子，强化电子-气体分子碰撞激发的气相反应及化学动力学为切入点，深入研究CVD金刚石膜沉积的气相-表面过程，阐明动磁场作用下CVD金刚石膜的形核生长机理，实现CVD金刚石膜的可控沉积。

围绕动磁场作用下热丝CVD金刚石膜的可控沉积及其机理展开研究，动磁场作用下，热丝发射的电子获得动能，在沉积区域规律运动，与气体分子碰撞激发产生原子氢及甲基等活性基团，进而影响气相化学及其反应动力学。而且，电子的运动轨迹及运动速度与磁场的角频率、强度以及电子在磁场中的位置密切相关。动磁场作用下CVD金刚石形核精确可控，其形核密度与角频率密切相关。当动磁场角频率从83.3 rad/s增加到250 π rad/s时，形核密度从1.48×109连续增加到2.81×109 cm−2。而当角频率增加到416.7 π rad/s时，形核密度逐渐降低到1.81×109 cm−2。角频率进一步增加到583.3 π rad/s，形核密度再次增加到2.49×109 cm−2。动磁场下CVD 金刚石的形核归因于生长表面氢的电子激发脱附，其形核密度通过激发电场与动磁场关联。CVD金刚石的生长速率随角频率呈指数增长，最大增幅约2.5倍，其生长速率的提高归因于动磁场激发更多的生长活性基团。动磁场不会引入带电粒子持续轰击金刚石生长前沿而导致石墨化，对CVD金刚石的沉积质量产生积极影响。动磁场作用下可获得良好的织构膜，随着动磁场角频率的增加，取向从(110)演变为(100)。动磁场加剧了电子-气体分子的碰撞激发，最终提高了C2H2和CH3的相对浓度，从而促进了生长取向的转变。角频率为100 π rad/s时，大面积沉积金刚石膜的均匀性得到明显提升，但在其他角频率条件下，提升均不明显。可能是本研究使用单根螺旋热丝，对应的硅衬底温度差较大，使得动磁场的强化传质作用难以显现。此外，还进行了微孔通道类基体的CVD金刚石膜沉积及金刚石/铜界面热阻调节研究。本研究涉及磁学、空气动力学、原子分子物理及表面化学等多学科交叉，丰富了学科内容，为低压气相条件下金刚石的新合成技术与新沉积机制的发展提供了重要理论支撑。