直流热阴极PCVD法金刚石膜的生长特性及氮掺杂研究

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金刚石是一种新型的功能材料,集力学、电学、热学和光学等优异功能于一身,在光电子、机械等领域具有广阔的应用前景。因此,人们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也有了一定的认识。但目前金刚石的质量仍有待提高,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DC-PCVD法,研究了金刚石在P型(111)单晶硅基片上的生长及掺杂特性;通过扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线衍射仪(XRD)、及霍尔效应测试仪(Hall),对不同实验工艺下制备的金刚石薄膜的表面形貌、结构、取向及导电特性进行了分析。结果如下:(1)在CH4/H2气氛下随着反应室压强的升高,金刚石膜的质量先提高后降低,且生长速率随压强的增加而提高。过低的生长温度不利于金刚石的结晶,而且缺陷较多,过高的生长温度会使晶粒粗化。甲烷的影响主要表现在: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,但同时降低了薄膜品质,晶粒尺寸减小。在生长微米膜的条件下,通过降低基底温度及反应室压强可以制备出纳米金刚石膜。(2)在CH4/H2气氛下,利用氢气鼓泡的形式通入甲醇的三聚氰胺饱和溶液蒸气,制备出了氮掺杂金刚石膜,研究发现少量氮的掺入使得晶粒尺寸减小,膜中非金刚石碳相增加,电阻率降低。(3)在CH4/H2/Ar气氛下,通过改变Ar/H2流量比,制备出了以C3H6N6为氮源的掺氮纳米金刚石薄膜,结果表明:随着Ar/H2流量比的增加薄膜晶粒细化,晶界、位错和缺陷有所增多,非金刚石含量逐渐增多,电阻率降低至10-2·cm。
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