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沉积条件对CVD金刚石膜生长及其掺杂影响的研究

刘军伟  
【摘要】:金刚石膜具有优异的物理和化学性质,如最高的硬度、良好的化学稳定性、最高热导率和高光学透过率等。由于天然金刚石的稀有性,人工合成高质量金刚石一直是科研人员研究的重点。人们已对金刚石膜的生长做了广泛的研究,对金刚石膜的人工合成机理有了一定的认识。但目前金刚石的质量仍有待提高,其应用主要集中在力学方面,深入了解金刚石合成机理,进一步优化实验条件制备高质量金刚石膜从而扩大其应用范围是目前亟待解决的问题。 本文利用微波等离子体化学气相沉积和热灯丝化学气相沉积方法,研究了金刚石在硅基片上的成核、生长及掺杂特性;研究了不同实验条件:如研磨、甲烷、功率、氧气、氮气、硼等对金刚石膜成核和生长的影响;通过扫描电镜、拉曼光谱、X光衍射、光发射谱等手段表征金刚石膜的形貌、质量、取向及气氛的等离子体状态,得到了如下较有意义的结果: 1.衬底处理方式及等离子状态对金刚石成核有明显的影响。对硅基片表面进行合理的研磨可以大幅度提高金刚石的成核密度,降低成核时间。此外,适当提高衬底温度、增强等离子体密度,可增强碳、氢等原子和原子团的浓度、活性及其在衬底表面的吸附和迁移,促进金刚石的成核。对比衬底上不同时间的成核,多晶金刚石膜是成核晶粒在垂直衬底方向上竞争生长的结果。 2.在微波CVD系统中,甲烷对气氛的影响主要表现在提高甲烷浓度可以增加电子平均温度,提高C2浓度,从而提高生长速率但同时降低薄膜品质;提高功率可以增大电子密度,促进气体的分解,提高基团活性及衬底温度,在促进沉积速率的同时提高薄膜质量。氧气能够明显提高金刚石质量,其影响主要是提高刻蚀效率的同时大幅度降低C2浓度,抑制了非金刚石相的生长;氮气促进了金刚石(100)面生长并提高生长速率,同时还影响金刚石膜形貌,这种结果可能是由于CN基团在薄膜表面的吸附和对氢的提取上,氮在薄膜中的掺入很少,其作用类似于化学反应的催化剂;增加沉积气氛的压强可以促进氢气及甲烷的分解,增加电子密度,各基团的光发射强度也有不同程度的增长。 3.在热灯丝化学气相沉积系统中对金刚石膜硼、氮共同掺杂的研究表明:硼的掺入可以影响氮的作用,对提高薄膜质量和阻止晶形向纳米转化有明显作用,合适的硼、氮比例对优化金刚石沉积条件,提高薄膜质量有重要意义。对等离子体光谱的测试表明,硼的引入没有明显影响CN光发射,硼对薄膜结晶性能的提升可能来自于硼原子及原子团在薄膜表面与CN基团的竞争性吸附。偏压对增加基团活性有着重要作用,可以提高硼、氮在金刚石表面的作用从而影响薄膜的形貌和质量。不加偏压下硼在薄膜中的含量随氮气流量变化明显,可能是由于此时硼原子及原子团的激发程度较低,CN基团在金刚石表面的吸附造成了表面悬键和空位的大量减少以及氮对晶粒取向的作用影响了硼在晶面中的掺入量。


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