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《中南大学》 2013年
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化学气相沉积硼掺杂金刚石薄膜的研究

翟豪  
【摘要】:金刚石具有独特的物理化学性能,化学性质稳定,硼掺杂金刚石(Boron-doped Diamond, BDD)薄膜不仅是宽禁带的半导体材料,同时又具有优异的物理和化学特性,因而在电子器件与光电子器件领域的应用具有极大潜力。 本文采用HFCVD的方法,以氢气和甲烷为反应气体,乙硼烷作为硼掺杂源,在Mo(Re)合金基体上沉积金刚石膜,研究了硼烷甲烷比例、沉积时间对金刚石薄膜结构性质的影响。根据Mo(Re)合金箔材上生长掺硼金刚石薄膜制成场发射器件的要求,对箔材表面生长薄膜的残余应力状态、以及后处理工艺改善薄膜质量、降低残余应力作了研究,结果表明: (1)碳原子进入Mo(Re)体心立方的晶体的间隙中造成晶格膨胀,Mo(Re)合金基体在沉积金刚石之前生成了Mo2C脆性过渡层,Re以替代式固溶体的形式存在; (2)随沉积基体温度升高,薄膜致密度增大;当基体温度上升至700℃晶粒尺寸分布均匀,0.36±0.03μm,且大多呈现(111)面,且晶粒密度较大,达8.0/μm2。热应力随沉积温度升高单调递增,FWHM随沉积温度的升高呈现先增后减的趋势;当沉积温度为700℃时,质量最好,FWHM为14.5cm-1。薄膜中存在2.0GPa的压应力。 (3)在氢气气氛中对金刚石薄膜进行退火处理,薄膜中无定型碳、石墨成分相对含量下降37.6%,薄膜质量有一定程度的提升; (4)过氧化氢氧化处理对薄膜质量有较大影响:薄膜中69.0%-73.0%Wt的trans-PA被氧化处理掉;内部压应力得到弛豫、释放后残余应力仅为0.06GPa。 (5)当硼碳体积比V(B2H6)/V(CH4)增加时,晶粒半径变化呈现变小趋势。少量的硼掺杂导致晶粒细化。当V(B2H6)/V(CH4)高达3%时,薄膜缺陷增加,金刚石特征峰宽化,向低波数漂移,在500cm-1和1200cm-1位置出现了宽峰,质量下降。 (6)进气的硼碳比V(B2H6)/V(CH4)与实际掺入金刚石结构中的B的量存在一个阈值的关系:在V(B2H6)/V(CH4)3%时,薄膜的电阻率随着硼烷浓度的增加急剧下降;V(B2H6)/V(CH4)3%时,电阻率下降趋势减小。 (7)随沉积时间增长,晶粒增大趋势明显,当沉积时间达到60min时,形成均匀较致密的金刚石膜,具有大的有效电子发射面积,同时满足单位面积有效发射微尖面密度较大,尺寸分布的方差较小的要求。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TB383.2

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【参考文献】
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