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化学气相沉积法制备宽带硬质薄膜材料

作　者: 徐世友
导　师: 张溪文
学　校: 浙江大学
专　业: 材料学
关键词: DBD DBD-CVD 类金刚石薄膜 BN薄膜 BPxN1-x薄膜 禁带宽度 光敏性
分类号: TB383
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


考虑到目前宽带硬质半导体薄膜材料制备中存在的问题,对传统的CVD方法进行改造,以新型的DBD为离子源成功构建出运行稳定的DBD-CVD系统,沉积出宽带硬质DLC薄膜;采用热丝与电容耦合式射频等离子体共同辅助CVD的方法,在商用石英衬底上沉积出带隙可调的宽带硬质BPxN1-x薄膜。本文介绍了介质阻挡化学气相沉积技术(DBD-CVD)、类金刚石(DLC)薄膜、氮化硼(BN)薄膜等的研究进展。对DBD及DBD-CVD的历史、理论及应用做了全面的总结;对DLC薄膜和BN薄膜的结构、性能、应用和制备方法做了详细的分析和讨论。DBD作为一种典型的非平衡等离子放电形式,具有很广泛的应用前景,它可以在常压下运行,也可以在低气压下运行,提供高能量的等离子体,从而降低沉积温度,提高沉积速率。DLC薄膜是一种重要的宽带硬质半导体薄膜,它具有高硬度、低摩擦系数、良好的化学惰性、容易大面积成膜等优异性能。BN薄膜是一种具有广泛应用前景的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体,它的禁带宽度较宽(6. 4eV),硬度仅次于金刚石,同时也具有良好的化学惰性。采用不同辅助技术的CVD制备出大面积、高质量的宽带硬质DLC、BN薄膜,为后续的器件制备做工艺准备。本文在DBD理论基础上构建运行稳定DBD-CVD系统,采用DBD-CVD法制备DLC薄膜。在此基础上,进一步研究了DLC薄膜的结构、性能。讨论了各工艺参数对DLC薄膜的结构、性能的影响,获得最佳的工艺参数。以最佳工艺参数研究不同衬底上DLC薄膜的结构、性能,N掺杂DLC薄膜的结构、性能。采用热丝辅助射频等离子增强化学气相沉积(HF-PECVD)技术制备BPxN1-x薄膜,研究衬底温度对薄膜结构的影响及P对BPxN1-x薄膜光学带隙的调节规律,同时研究了薄膜的光暗电导性能,对BPxN1-x薄膜在紫外液晶光阀上的应用前景做了分析。本文首先分析了沉积参数对DLC薄膜结构性能的影响。沉积电压升高,DLC薄膜sp3碳含量增加,表面粗糙度减小;沉积频率增加,DLC薄膜sp3碳含量增加,表面粗糙度减小;沉积压强减小,DLC薄膜sp3碳含量增加,表面粗糙度减小。在最佳工艺参数下(12kV,20kHz,100Pa),薄膜的沉积速率较快,所得薄膜的表面光滑,sp3碳含量高,硬度高,膜基结合良好,在可见-近红外区有很高浙江大学硕士学位论文徐世友:化学气相沉积法制备宽带硬质薄膜材料的透过率。采用DBD一CVD法在不同衬底上成功沉积出DLC薄膜,相对而言,在金属衬底上沉积的薄膜质量较高,性能优于非金属衬底。由于Al表面存在较厚的氧化膜,沉积于Al衬底的DLC膜与非金属衬底上的相似。采用DBD一CVD法成功沉积出N掺杂DLC薄膜,大大降低薄膜的内应力,从而提高膜基结合力。 采用HF一PECvD技术在商用石英衬底上沉积出膜基结合良好BPxN,.、薄膜,衬底温度对薄膜的结构有很大影响:随着衬底温度增加,薄膜的结晶性能变好,在400℃衬底温度下,所沉积的薄膜为多晶织构,薄膜表面为颗粒状,松散分布。随着沉积时通入PH3含量的增加,薄膜内P的含量增加,可以实现P的可控掺杂。随着薄膜内P含量的增加,BPxNI一薄膜禁带宽度变窄,实现了薄膜禁带宽度的连续调节。Bp龙N,一薄膜的暗电阻可达10,’。cm,可以与液晶层较好的匹配,BPxN,_、薄膜的光暗电导比可达1护量级,具有良好的光敏性能,可以做为紫外液晶光阀的优良光敏层。关键词:DBD、DBD一CVD、类金刚石薄膜、BN薄膜、BPxNI-x薄膜、禁带宽度、光敏性

全文目录


目录  4-8
摘要  8-10
Abstract  10-12
第一章 文献综述  12-39
  1． 1 研究背景  12-14
  1． 2 介质阻挡放电化学气相沉积技术  14-20
    1． 2． 1 DBD  14-18
      1． 2． 1． 1 DBD的性能  15-16
      1． 2． 1． 1 DBD的应用  16-18
    1． 2． 2 DBD-CVD  18-20
      1． 2． 2． 1 CVD中等离子的作用  18-19
      1． 2． 2． 2 DBD-CVD的应用  19-20
  1． 3 类金刚石薄膜  20-31
    1． 3． 1 引言  20-22
    1． 3． 2 DLC的性能与应用  22-28
      1． 3． 2． 1 机械性能及应用  22-23
      1． 3． 2． 2 电学性能及应用  23-24
      1． 3． 2． 3 光学特性能及应用  24-25
      1． 3． 2． 4 场发射性能及其应用  25-26
      1． 3． 2． 5 生物相容性及其应用  26-27
      1． 3． 2． 6 其它性能及应用  27-28
    1． 3． 3 DLC薄膜的制备方法  28-31
      1． 3． 3． 1 离子束沉积(Ion Beam)  28
      1． 3． 3． 2 溅射法  28-29
      1． 3． 3． 3 阴极电弧法  29-30
      1． 3． 3． 4 等离子增强化学气相沉积(PECVD)  30
      1． 3． 3． 5 脉冲激光沉积(PLD)  30-31
  1． 4 氮化硼薄膜(BN)  31-37
    1． 4． 1 引言  31-32
    1． 4． 2 氮化硼的结构、性质与应用  32-35
      1． 4． 2． 1 六角氮化硼(h-BN)的结构、性质与应用  32-33
      1． 4． 2． 2 纤锌矿氮化硼(w-BN)的结构、性质与应用  33-34
      1． 4． 2． 3 菱形氮化硼(r-BN)的结构、性质与应用  34
      1． 4． 2． 4 立方氮化硼的结构、性能与应用  34-35
    1． 4． 3 BN薄膜的制备方法  35-37
      1． 4． 3． 1 溅射法  35-36
      1． 4． 3． 2 等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)  36
      1． 4． 3． 3 离子镀  36-37
      1． 4． 3． 4 脉冲激光沉积(PLD)  37
  1． 5 本课题的研究思路  37-38
  1． 6 本课题的研究内容  38-39
第二章 实验设备与测试方法  39-48
  2． 1 DBD-CVD系统构建  39-41
    2． 1． 1 DBD-CVD系统的设计与构成  39-40
    2． 1． 2 电源  40
    2． 1． 3 真空系统  40-41
    2． 1． 4 介质阻挡放电系统  41
    2． 1． 5气体流量控制与显示系统  41
    2． 1． 6 DBD-CVD技术的创新  41
  2． 2 HF-PECVD系统简介  41-42
  2． 3 DLC与BN薄膜的分析测试方法  42-48
    2． 3． 1 激光Raman谱  42-43
    2． 3． 2 X射线衍射分析(XRD)  43
    2． 3． 3 傅立叶变换红外光谱分析(FTIR)  43-44
    2． 3． 4 紫外可见光谱(UV spectrum)  44
    2． 3． 5 X射线光电子能谱(XPS)  44-45
    2． 3． 6 透射电子显微镜(TEM)  45
    2． 3． 7 场发射扫描电镜(FE-SEM)  45-46
    2． 3． 8 原子力显微镜测试(AFM)  46
    2． 3． 9 膜厚测量  46
    2． 3． 10 光电性能测试  46-47
    2． 3． 11 附着力测试  47
    2． 3． 12 硬度测试  47-48
第三章 DLC薄膜制备及工艺参数对薄膜结构性能的影响  48-80
  3． 1 实验装置及过程介绍  48-49
  3． 2沉积电压对薄膜结构性能的影响  49-63
    3． 2． 1 Raman光谱分析  49-51
    3． 2． 2 沉积速度分析  51-52
    3． 2． 3 薄膜的表面形貌及截面形貌分析  52-55
    3． 2． 4 XPS分析  55-58
    3． 2． 5 硬度与电阻率分析  58-59
    3． 2． 6 薄膜的光学性质分析  59-61
    3． 2． 7 薄膜的膜基结合性能分析  61-62
    3． 2． 8 薄膜的耐腐蚀性能  62-63
  3． 3 沉积频率、压强对薄膜结构性能的影响  63-66
    3． 3． 1 SEM形貌分析  63-64
    3． 3． 2 Raman分析  64-65
    3． 3． 3 硬度分析  65-66
  3． 4 不同衬底上的DLC薄膜的制备  66-73
    3． 4． 1 Raman分析  66-68
    3． 4． 2 SEM形貌分析  68
    3． 4． 3 沉积速度分析  68-71
    3． 4． 4 硬度分析  71-72
    3． 4． 5 膜基结合力分析  72-73
  3． 5 N掺杂DLC薄膜的制备  73-78
    3． 5． 1 N掺杂DLC薄膜的制备  74
    3． 5． 2 FE-SEM及EDX分析  74-77
    3． 5． 3 硬度及膜基结合力分析  77-78
  3． 6 DBD-CVD工艺的理论解释  78-79
  3． 7 小结  79-80
第四章 BP_xN_(1-x)薄膜的制备及性能研究  80-94
  4． 1 BP_xN_(1-x)薄膜的制备  81-87
    4． 1． 1 薄膜沉积条件  81
    4． 1． 2 衬底温度对薄膜结构的影响  81-83
    4． 1． 3 XPS分析  83-85
    4． 1． 4 不同衬底温度下BP_xN_(1-x)薄膜的SEM形貌  85-87
    4． 1． 5 PH_3流量与BP_xN_(1-x)薄膜内P元素含量的关系  87
  4． 2 掺P量对BP_xN_(1-x)薄膜光电性能的影响  87-91
    4． 2． 1 P对BP_xN_(1-x)薄膜光学带隙的调节规律  88-91
    4． 2． 2 BP_xN_(1-x)薄膜的光/暗电导性能  91
  4． 3 BP_xN_(1-x)薄膜在紫外液晶光阀中的应用前景分析  91-93
  4． 4 小结  93-94
第五章 结论  94-96
参考文献  96-108
攻读硕士期间发表的论文  108-109
致谢  109

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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