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本论文采用蒙特卡罗(Monte Carlo)数值模拟方法,研究了以CH4/H2为源气体的电子助进化学气相沉积(EACVD)金刚石薄膜的气相动力学过程。研究了EACVD气相过程中的电子行为、CH4及H2的分解过程和气相过程中CH4的电离过程,讨论了EACVD中的低温沉积过程,以及EACVD中的光发射过程。初步建立了EACVD气相动力学模型。 1.论文首次给出了以CH4、H2混合气体为源气体的EACVD过程中的电子能量分布。给出了不同衬底偏压、反应室气压和甲烷浓度条件下电子能量分布曲线,结果表明EACVD是非热力学平衡过程。计算了不同衬底偏压、反应室气压和甲烷浓度条件下的电子平均能量,发现电子平均能量随着衬底偏压的增加而显著增加,随着反应室气压的增加而下降,在较低气压范围内平均电子能量随着反应源气体中甲烷浓度的增加而减小、在较高气压范围内平均电子能量则随着甲烷浓度的增加而增加。上述结果不仅对EACVD动力学过程研究有重要意义,对于建立其它等离子体增强CVD过程的模型也具有参考价值。 2.研究了EACVD气相过程中氢气和甲烷的分解过程和甲烷的电离过程。给出了氢气和甲烷的主要分解碎片H、CH3随衬底偏压、反应室气压和甲烷浓度变化的空间分布曲线,结果表明较高的偏压有利于氢气和甲烷分子的分解,随着气压的增加碎片H和CH3的数目并不是一直增加的,而是在不同的特定气压下出现各自的最值。给出了不同气压条件下碎片H和CH3的比值随甲烷浓度变化的分布曲线和不同甲烷浓度条件下碎片H和CH3的比值随气压变化的分布曲线,确定了金刚石薄膜生长的最佳实验参数范围。给出了不同气压下中性分解碎片CH3所携带能量随甲烷浓度变化的分布曲线,结果显示CH3携带的能量基本随甲烷浓度和气压的增加而减小。另外还得到了不同气压下生成碎片CH3+、CH2+和CH+数目随甲烷浓度的变化曲线。 3.研究了EACVD中的低温生长机制,提出了高质量金刚石薄膜生长的三个必需条件:要具有足够的金刚石生长先驱物质,如CH3;要有过量的氢原子以抑制非定型碳的生成;要求含碳的粒子具有足够的能量可沿表面运动,以避免导致表面粗糙且不能连续成膜的堆积形成。通过研究发现,CH3携带一定的能量是EACVD金刚石薄膜低温生长的关键因素。依据所建立的模型,计算了典型条件下金刚石的生长温度,结果与实验相符。 4.首次对EACVD中的光发射过程进行了数值模拟。得到了气相过程中氢原子(Hα,Hβ,Hγ),碳氢基团CH(A2Δ→X2Π∶λ=420-440nm)以及碳原子C(2p3s→2p2∶λ=165.7nm)的发射谱线随不同实验条件的变化情况及其对合成金刚石薄膜的影响。提出了诊断EACVD非平衡热力学过程中电子能量的方法。