新型医用辐射剂量计金刚石膜的制备及性能研究

【摘要】： 本文针对目前辐射剂量计存在灵敏度低和空间分辨率差或易受辐射损伤、寿命短等缺点，研究一种新型的金刚石膜辐射剂量计，对放射医学及仪器、空间辐射、反应堆和加速器辐射场等众多科技领域的研究具有重要意义和广阔的应用前景。 本研究中，采用石英钟罩式微波等离子体化学气相沉积装置系统研究了高纯、高度取向金刚石薄膜的制备工艺及其电学性能，并对提出的一种新的金刚石膜沉积后处理方法——原位氧等离子体刻蚀处理技术进行了实验研究；将获得的金刚石膜设计制作成简单三明治结构的光电导体型辐射剂量计，用稳态X光源测试它们的性能特点，再在此基础上对金刚石薄膜组成结构与器件性能的关系及其导电机理进行了分析研究。 为获得高纯、高度取向的金刚石薄膜材料，设计、优化了金刚石薄膜制备工艺方法。研究结果表明，反应气体中的CH_4浓度极大地影响着所得薄膜的相组成纯度和膜中晶粒的取向：当CH_4浓度(体积百分比)由0.21％→0.28％→0.35％，沉积膜内的非金刚石相显著增多，晶粒的择优取向由[111]→[110]→[100]，其中[100]取向膜晶粒的排列最规整，取向度最高，但非金刚石相的含量最多。微波功率/基片温度也对薄膜的相组成纯度有较大的影响。当采用高的CH_4浓度(0.35％)，并通过形核—刻蚀—生长工艺或生长—刻蚀—生长……循环工艺来沉积金刚石薄膜时，不仅能保证薄膜原有的高度[100]择优取向性，而且可大幅 四川大学博士学位论文 降低非金刚石相含量，是可控地制取高纯、高度取向金刚石膜的简单实用的工 艺方法。采用该种沉积工艺方法制备出相组成纯净、取向度高的[100〕织构膜， 其电阻率在10’40 .Cm数量级，已达国际上同种取向膜的先进水平。 首次提出使用简便的原位氧等离子体刻蚀法对沉积出的金刚石薄膜进行后 处理，微观分析和电学测量结果表明该工艺技术可以在不明显降低薄膜厚度的 情况下，极大地提高薄膜的电阻率(最大达4个数量级，从一l扩一一10z3Q·cm)， 有利于减低金刚石膜剂量计的漏电流，提高器件的信噪比。 在经后处理过的金刚石薄膜表面溅射A。膜后，分别从Au表而和p型Si基 体底面粘接引线，制作出具有简单的金属/金刚石薄膜/Si三明治结构的原型辐 射剂量计，用稳态X光源测试其光电响应，结果表明，在skV/cm的偏压条件下， 剂量计对X光辐射有明显的输出电流信号响应，并且其大小与入射X光强度间 存在良好的线性关系，说明这种剂量计可以用于剂量的定量检测;但输出电流 信号在开始测量后近二十分钟时间内一直持续增大，反映出器件工作时所需的 稳定时间长，响应速度慢，将影响其在实时监测上的应用。 使用金刚石薄膜剂量计器件研究了膜层材料的组成和结构对材料电学性能 及器件性能的影响，结果表明:非金刚石含量最高的【10川择优取向膜的电阻率 最低，而纯度最高的「1 11〕择优取向膜的电阻率最高;用生长一刻蚀一生长…… 循环工艺制备的高纯「100]取向膜的电阻率较未采用该工艺制备的「100]取向膜 的电阻率提高了近两个数量级，并与「111」取向膜接近，说明非金刚石相含量对 金刚石膜的电阻率有显著的影响。通过不同成分结构金刚石薄膜制成的剂量计 对X光响应的对比测试结果表明，高纯、高度【100]取向膜作成的器件有最高的 灵敏度，是制作剂量计的最好材料。 通过分别在p型Si基体和n型Si基体上沉积同样的金刚石薄膜，并检测 它们的卜V曲线特性，所得结果经分析表明:所制备的未经掺杂的金刚石薄膜 是p型半导体，主要靠空穴导电。