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高掺硼金刚石薄膜的制备及其特性研究

作　者: 屈芳
导　师: 白亦真
学　校: 大连理工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: HFCVD方法高硼掺杂金刚石薄膜硼掺杂状态
分类号: O484
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

高掺硼金刚石薄膜具有良好的导电能力,在电学和电化学领域有着广泛的应用前景。掺硼金刚石薄膜的掺硼浓度、表面形貌、非金刚石相的含量、晶粒取向等对其电学和电化学性能的影响十分明显。因此研究沉积参数对掺硼金刚石薄膜的表面形貌和结构特性的影响有重要的意义。实验采用热丝化学气相沉积（HFCVD）方法制备了掺硼金刚石薄膜,研究了掺硼浓度、甲烷流量、气体压强和偏压电流对薄膜的影响。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、四点探针等对薄膜进行了表征。工作主要内容和结论如下:（1）研究了硼掺杂对金刚石薄膜生长特性与电学性能的影响。结果表明,适量的硼掺杂有利于提高金刚石薄膜的质量,膜中晶形完整,晶界清晰,非金刚石碳成分较少。随着掺硼浓度的增加,薄膜质量有所下降,晶粒呈现菜花状生长,非金刚石碳增多。掺硼引起Raman光谱中金刚石的一阶拉曼特征峰向低频漂移且在1220cm^-1附近出现宽峰,根据金刚石一阶拉曼特征峰向低频的漂移量计算得出,薄膜的内应力随着掺硼浓度的增加而加大。掺硼降低了薄膜的电阻率,所获得的最低电阻率达到1.12×10^-2Ω·cm。对高掺硼的样品进行XPS分析得出,金刚石薄膜中硼以B₄C中的B-C键、BC_3.4中的B-C键、B-O键等形式存在。（2）研究了甲烷浓度对掺硼金刚石薄膜生长特性的影响。结果表明,随着甲烷流量的增加,掺硼金刚石薄膜的二次形核增加,晶粒尺寸减小,晶界变得模糊,结晶性下降,非金刚石相增多,甲烷流量达到7.2sccm时,导致掺硼金刚石薄膜的菜花状生长。同时甲烷流量的增加不利于低电阻率薄膜的制备。（3）研究了气体压强对掺硼金刚石薄膜的影响。气压从3kPa降低到1.5kPa时,晶粒增大,孔洞减少,薄膜的结晶性能得到改善,非金刚石相的含量降低。气压从1.5kPa降低到0.5kPa时,晶粒变小,非金刚石相的含量增多,薄膜质量变差。（4）研究了偏压电流对掺硼金刚石薄膜的影响。研究表明,适当的偏压电流能提高掺硼金刚石薄膜的品质。当偏压电流较高时,由于反应气氛中高能粒子对生长面的轰击,造成非金刚石相的增多。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-18
  1.1 金刚石的结构  9-10
  1.2 金刚石的性质  10-11
  1.3 金刚石膜的n型掺杂和p型掺杂  11-13
    1.3.1 金刚石膜的n型掺杂  11-12
    1.3.2 金刚石膜的p型掺杂  12-13
  1.4 掺硼金刚石膜的应用  13-16
  1.5 本文的选题和主要研究内容  16-18
2 CVD金刚石薄膜的主要制备方法与表征方法  18-23
  2.1 CVD金刚石薄膜的主要制备方法  18-20
    2.1.1 热丝化学气相沉积(HFCVD)法  18-19
    2.1.2 微波等离子化学气相沉积(MPCVD)法  19-20
  2.2 金刚石薄膜的表征方法  20-23
    2.2.1 扫描电子显微镜(SEM)  20
    2.2.2 激光拉曼光谱(Raman)  20-21
    2.2.3 X射线衍射分析法(XRD)  21
    2.2.4 X射线光电子能谱(XPS)  21-22
    2.2.5 四点探针  22
    2.2.6 膜厚测量仪  22-23
3 HFCVD法制备高掺硼金刚石薄膜的设备与工艺  23-29
  3.1 热丝化学气相沉积系统简介  23-25
  3.2 掺硼金刚石薄膜的制备工艺  25-29
    3.2.1 硼源的选择以及掺硼方法  25-26
    3.2.2 掺硼金刚石薄膜的制备  26-29
4 掺硼浓度对金刚石薄膜生长特性和结构性能的影响  29-42
  4.1 掺硼浓度对金刚石薄膜表面形貌的影响  30-31
  4.2 掺硼浓度对金刚石薄膜结晶性能的影响  31-33
  4.3 不同掺硼浓度下金刚石薄膜的拉曼分析  33-35
  4.4 掺硼浓度对金刚石薄膜电学性能的影响  35-36
  4.5 高掺硼金刚石薄膜的XPS谱分析  36-41
    4.5.1 XPS分析掺硼金刚石薄膜中的化学键结构  36-40
    4.5.2 XPS分析掺硼金刚石薄膜中化学键的含量  40-41
  4.6 本章小结  41-42
5 影响高掺硼金刚石薄膜的因素  42-58
  5.1 甲烷流量对高掺硼金刚石多晶薄膜生长的影响  42-48
    5.1.1 不同甲烷流量下高掺硼金刚石薄膜的形貌分析  42-44
    5.1.2 不同甲烷流量下高掺硼金刚石薄膜的拉曼分析  44-45
    5.1.3 不同甲烷流量下高掺硼金刚石薄膜的XRD分析  45-47
    5.1.4 甲烷流量对高掺硼金刚石薄膜电学性能的影响  47-48
  5.2 气体压强对高掺硼金刚石多晶薄膜生长的影响  48-53
    5.2.1 不同气压对高掺硼金刚石薄膜形貌的影响  48-50
    5.2.2 不同气压下高掺硼金刚石薄膜的拉曼分析  50-51
    5.2.3 不同气压下高掺硼金刚石薄膜的XRD分析  51-53
  5.3 偏流对高掺硼金刚石多晶薄膜生长的影响  53-57
    5.3.1 不同偏流对高掺硼金刚石薄膜表面形貌的影响  53-55
    5.3.2 不同偏流下高掺硼金刚石薄膜的拉曼分析  55-56
    5.3.3 不同偏流下高掺硼金刚石薄膜的XRD分析  56-57
  5.4 本章小结  57-58
结论  58-60
参考文献  60-65
致谢  65-66

高掺硼金刚石薄膜的制备及其特性研究

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