光学级金刚石厚膜沉积过程晶面取向与缺陷控制机理研究

化学气相沉积（CVD）金刚石厚膜具有透射光谱带宽、抗辐照损伤性强、耐腐蚀、耐磨损以及抗热震性能好等优点，是一种性能优异的窗口材料。但在大面积金刚石厚膜制备方面存在面积小、均匀性差、光学性能差等问题。本项目针对大面积金刚石厚膜制备过程中的上述关键问题，围绕大体积均匀微波等离子体的形成及等离子体特性对大面积金刚石厚膜的生长及性能的影响，利用电磁场模拟、等离子体诊断、光谱分析等手段，分析模式调节对等离子体体积及均匀性的影响，获得大功率微波等离子体中活性基团随等离子体特性的变化规律，分析微波电场分布对等离子体密度、电子温度、离子能量、等离子体均匀性的影响，确立等离子体参数与厚膜中晶体缺陷及内应力之间的内在联系。分析大功率微波等离子体作用下金刚石膜的取向生长动力学，确立金刚石厚膜取向生长的控制方法。项目的研究成果对于加快大面积金刚石厚膜光学窗口领域的发展具有重要意义。

金刚石厚膜光学窗口是目前化学气相沉积（CVD）金刚石膜研究的一个重要方向。与一些常用的光学窗口材料（如ZnS、ZnSe 和Ge 等）相比，CVD 金刚石厚膜具有透射光谱带宽、对可见光与红外光透明、抗辐照损伤性强、耐腐蚀和耐磨损、优良的抗热震性能、能够在高温环境下保持良好的光学性能等特性，这些特性使得CVD 金刚石厚膜成为高速拦截导弹头罩、航天飞机窗口材料、战斗机头部的探测窗口材料和红外阵列热成像引导窗口的不二选择。本项目针对大面积金刚石厚膜制备过程中的面积小、均匀性差、光学性能差等问题，围绕大体积均匀微波等离子体的形成及等离子体特性对大面积金刚石厚膜的生长及性能的影响，进行了一系列研究工作，主要包括：.1、利用电磁场模拟，结合模式的正交性和奇偶禁戒规律，设计出了适合于大面积金刚石厚膜沉积的均匀等离子体CVD 系统，并通过电磁场模拟获得了该系统内部的等离子体特性变化规律。通过计算发现，谐振腔半径的选择需满足条件122.4mm <1.14R，即谐振腔半径的取值范围初步选定为：R>107.3 mm，在D=400mm的情况下，腔体长度应该满足123mm< l <149mm，在此基础上，当谐振腔的直径设计为400mm时，在谐振腔中心部分，即主模TM01与次模TM02重合的区域，电场强度要远远高于其它地方，且位于正中心，直径约为100mm左右。.2、在上述基础上进行了金刚石膜的沉积实验，掌握了金刚石厚膜沉积过程中晶面的取向规律、厚膜中各种应力的形成原理以及缺陷的产生机理。实验结果表明，较低的沉积气压有利于得到更大的等离子体球，进而在基片上容易获得较均匀的温度分布；较高的沉积气压则有利于获得较高的沉积速率和较高基片温度；提高大面积金刚石膜的均匀性的一种方法是在特定的沉积气压下，提高微波功率，这将同时增加等离子体球的体积和金刚石膜的沉积速率；在高甲烷浓度下，随着微波功率的升高，金刚石膜的表面形貌逐渐由片状晶粒转变到由（100）晶粒组成，在中等甲烷浓度下，金刚石膜主要由（100）晶粒组成，但晶粒取向会随着温度的变化有所不同，在860℃时金刚石膜表现出排列相对整齐的（100）晶粒，当基片温度从750℃上升到870℃时，金刚石特征峰的FWHM值下降很快。在基片温度高于870℃，特别是高于960℃时，金刚石特征峰的FWHM值变化很小甚至趋于稳定。