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《吉林大学》 2013年
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掺硼CVD金刚石膜的制备工艺及性能研究

封全娇  
【摘要】:金刚石是集多种优异的物理化学性质于一身的超硬多功能材料,纯金刚石是良好的绝缘体,通过掺杂可使其变为宽禁带半导体或耐腐蚀导体,因此,掺杂诱导的金刚石在电子、微电子、电化学和机械加工等领域有广阔的应用前景,硼掺杂金刚石膜是当前的研究热点之一,它具有良好的导电性能、稳定的化学惰性和优异的电化学特性等;图案金刚石膜通过选择性生长使其具有线性阵列结构,可在紫外光探测器方面提高分辨率等性能。为此,本文采用DC-PCVD法制备了掺硼金刚石膜,通过SEM、XRD、Raman和XPS等测试手段分析了金刚石膜的表面形貌、晶粒取向、品质特性、应力状态、电阻率和硼在金刚石膜中存在的状态等生长特性。初步研究了金刚石膜图案的制备方法。 一、研究了硼酸三甲酯对金刚石膜的表面形貌、晶粒取向、品质特性和应力状态的影响 当掺硼浓度较低时,金刚石膜的晶粒尺寸明显变小,晶粒得到细化,晶形比未掺硼时要完整且晶粒空隙较小,主要显露(111)晶面,当浓度较高时,金刚石棱角有被刻蚀的痕迹,晶界变得模糊。 由XRD测试分析表明,无硼掺杂时金刚石膜的(111)和(220)晶面的相对强度之比小于标准粉末的比值,主要显示的是(220)晶面。随着硼浓度的增加,(220)和(311)晶面的峰变得相对弱些,掺硼流量为2和4sccm时,金刚石膜的I_(111)/I_(220)比值均略大于标准粉末的比值3.7,表明晶粒整体上无取向性。 由Raman测试分析得出,掺入少量的硼比未掺杂金刚石膜的非金刚石相的峰要弱,表明硼掺杂后非金刚石相减小,当掺硼量较高时,在1587cm~(-1)附近的峰开始变强了,非金刚石相增加。 由Raman光谱中金刚石特征峰的漂移量计算得出其应力值,由于掺硼金刚石的特征峰均向低频漂移,说明掺硼金刚石内存在张应力。 二、研究了硼在金刚石膜中的存在状态和掺硼金刚石膜的电阻率 由XPS图谱分析得出,金刚石膜的C1s谱在283.5ev附近的sp~2C–C键的特征峰强度随着硼源浓度的增加而增加,说明非金刚石碳相的含量在增多;对于金刚石膜中的B1s谱在188.6ev附近的sp~3B–C键的特征峰随着掺硼时间的增加而减弱;B1s谱在189.6ev附近的SP2B–C键的特征峰随着掺硼时间的增加而增大;B1s谱在192.2ev附近的B–O键的特征峰随着掺硼时间的增加而增大,由此可见,随着金刚石膜生长时间的增加,硼掺杂的含量也在增加,而硼原子与更多的非晶碳和氧原子相结合,与金刚石中的碳原子结合相对变弱了。 通过四探针法分析了不同浓度下金刚石膜电阻率的变化。随着硼浓度的增加,其电阻率迅速下降,但硼浓度增到一定浓度下,其电阻率变化比较缓慢,本实验电阻率最低值可达2.5×10~(-2)·cm。 三、探索了钢衬底上钼纳米粉诱导金刚石膜的生长工艺 选择性生长金刚石膜是生长金刚石图案的关键技术。本文初步探索了在钢基及其过渡层上沉积的金刚石膜,实验表明直接在钢基上沉积得到的是无规则形貌的碳化铁,在涂覆一薄层Mo纳米粉后,得到了晶粒大小10-15微米,呈“菜花状”的金刚石膜。在钼片上涂一层Mo纳米粉后,得到的金刚石膜晶型清晰,晶粒间结合紧密,晶粒大小为2-6微米。分析了进一步开展相关工作的技术难点和努力方向。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:O484.1

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【参考文献】
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