化学气相沉积制备掺硼导电金刚石薄膜方法技术

本发明专利技术涉及一种薄膜技术领域的化学气相沉积制备掺硼导电金刚石薄膜方法，将硼酸三甲酯按预定的Ｂ／Ｃ比溶解于丙酮，并放置于始终保持０℃的鼓泡瓶中，以控制碳源和硼源的流量。部分氢气流量作为载气，用鼓泡法将液体蒸气带出。本发明专利技术不会发生硼酸三甲酯掺硼分解出硼酸，对流量计、针形阀和管道的堵塞，制成的薄膜电阻率低（１０↑［－３］Ω．.ｃｍ），金刚石成份占绝对优势，质量好。掺硼制备过程安全无毒，没有硼源对大气等污染问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种薄膜
的制备方法，具体涉及的是一种化学气相沉积 制备掺硼导电金刚石薄膜方法。
技术介绍
金刚石薄膜，因具有优异的化学稳定性，宽的电化学势窗等特点，是用作电 化学或污水处理中阳极的理想材料。在化学气相沉积法(Chemical Vapor D印osition，简称CVD法)生长金刚石薄膜过程中，掺硼和生长金刚石是同时 进行的，反应气体包含氢气、碳源(甲垸或丙酮)、硼源(硼烷或硼酸、三氧化 二硼等)，其中氢气占95% 99% (体积比)，碳源占1 5%，硼源则很少，其 硼碳原子比(B/C)约为O. 1% 1%，硼的含量虽然很少，但对金刚石薄膜的导 电性和金刚石结构的完整性却很敏感，需要精确的控制。经对现有技术的文献检索发现，用CVD法制备p型导电金刚石薄膜的过程中， 一般采用三种方法向反应室输入硼源(1)刘卫平等在《无机材料学报》2005 年第5期1270页发表的"硼掺杂对金刚石薄膜生长特性的影响"，采用硼垸气体 氢气稀释，按既定的比例与氢气、甲垸等气体混合输入反应室中；(2)廖克俊等 在《物理学报》1996年第10期1771页发表的"热灯丝CVD金刚石膜硼掺杂效 应研究"，以丙酮为碳源，将硼酸三甲酯液体按预定的B/C比溶解于丙酮液体中， 根据反应室压力测量来确定碳源(丙酮)与氢气的流量比例，并进行调节；(3)杨 小倩等在《机械工程材料》2002年第1期16页发表的"CVD金刚石薄膜的掺硼 研究"，在需要沉积金刚石的衬底(样品)周围，放置一些固体硼源(BA或H3B03 等)，在CVD生长金刚石薄膜过程中，衬底表面可以达到85(TC左右，而BA的 熔点较低(约45(TC)，因此会不断地挥发出来，达到掺硼的目的。在第(1)种 方法中，由于硼烷也是气体，因此可通过质量流量计或者浮子式流量计加针型阀， 都能精确地控制硼烷、甲烷和氢气的流量和比例，从而保证得到质量好的掺硼导 电金刚石薄膜。但是硼烷价格高，又是毒性气体，对操作人员和环境会造成很大的危害。在第(2)中方法中，硼源为硼酸三甲酯，无毒性和污染问题，B/C比 可比较精确地控制，但存在两个严重的问题(1)硼酸三甲酯蒸汽容易分解成硼 酸(白色粉末状)和甲醇，而硼酸很容易将控制流量的针型阀堵塞；(2)由于碳 源(丙酮)的流量只占总流量的(1 2) %，绝大部分(98 99) %都是氢气， 由于氢气流动性和反应室压力的波动性，用测量反应室压力变化来确定和调节丙 酮流量是很困难的，特别是在较大容量(数十升)的反应室场合，调节一次丙酮 流量，要经过十多分钟后，反应室的压力变化才稳定下来，反应十分缓慢，因此 用此法调节丙酮流量不可能实现。在第(3)种方法中，虽然能精确控制碳源和 氢气的比例，但无法控制B/C比，因为固体硼源(BA等)的挥发与温度关系极 大，因而无法确定放置硼源处的温度及变化，结果导致B/C比往往过高，金刚石 容易石墨化，获得的导电薄膜是金刚石、石墨和碳化硼等各种成份的混合物，薄 膜质量无法控制，反应室容易受污染。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的上述不足和缺陷，提出了一种化学气相沉积制 备掺硼导电金刚石薄膜方法，不会发生硼酸三甲酯掺硼分解出硼酸，对流量计、 针形阀和管道的堵塞，制成的薄膜电阻率低(10—3Q.，cm)，金刚石成份占绝对优 势，质量好。掺硼制备过程安全无毒，没有硼源对大气等污染问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术将硼酸三甲酯按预定的B/C比溶 解于丙酮，并放置于始终保持(TC的鼓泡瓶中，以控制碳源和硼源的流量。部分 氢气流量作为载气，用鼓泡法将液体蒸气带出，流量计、针形阀在鼓泡瓶前端， 不会被硼源堵塞。本专利技术包括如下步骤第一步，将流量计和针型阀放置在鼓泡瓶的前方，为了防止丙酮在误操作时 产生的倒流、对流量计和针型阀产生不良影响，在鼓泡瓶前面增设了一个保护泡。第二步，将硼酸三甲酯按设定比例溶于丙酮中，该溶液置于密封的鼓泡瓶中。 鼓泡瓶保持0°C ，放置在冰水混合液中。第三步，将H2分成两路，其中一路经过流量控制系统后，与丙酮蒸汽会合， 直接进入反应室。另一路经过流量计、针型阔和保护瓶后，作为载气流入鼓泡瓶 的底部，鼓动丙酮溶液冒泡逸出。4第四步，H2鼓泡带动了丙酮溶液的挥发，由于硼酸三甲酯溶于丙酮，形成了 丙酮和硼酸三甲酯蒸汽，经隔离阀，与另一路Hr汇合，进入反应室，实现化学 气相沉积制备金刚石薄膜掺硼。本专利技术中，将硼酸三甲酯按设定比例溶于丙酮中，该比例确定了薄膜中硼碳 原子比，在实际使用中，根据需要进行确定。本专利技术中，所述的流量控制系统可以采用质量流量计或浮子式流量计。本专利技术将H2的流量分成二部分，其中一部分经过流量控制系统后，与丙酮蒸 汽会合，直接进入反应室，另一路经过流量计和针型阀，经保护瓶后，作为载气 流入鼓泡瓶的底部，经过丙酮溶液冒泡逸出，带动了丙酮溶液的挥发。本专利技术方 法既有效避免了有毒硼垸气体对操作人员和环境会造成很大的危害，并可较精确 地控制B/C比，而且调节丙酮流量也较简便快速，由于流量计和针型阀放置在鼓 泡瓶的前方，流过它们的是纯氢气，没有硼酸三甲酯，所以不会发生堵塞现象。 丙酮和硼酸三甲酯蒸汽经隔离阀后与第一部分会合直接进入反应室，也避免了进 气管道造成堵塞。本专利技术简单可靠，成本低，不仅可以显著提高金刚石薄膜的导电性能，而且 适量的硼元素加入还能够薄膜改善质量和表面形貌，所制备的硼掺杂导电金刚石 薄膜在微电子器件，如光电子元件、粒子探测元件、传感器、晶体管等，以及电 化学领域处理污水的电极材料等方面都极具应用前景。附图说明图1化学气相沉积制备导电金刚石薄膜掺硼原理图 具体实施例方式下面结合图1对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护 范围不限于下述的实施例。如图1所示，在热丝CVD气路系统中，将碳源浮子式流量计2和针型阔3 放置在鼓泡瓶5的前方，在鼓泡瓶5前面再增设防倒保护泡4;将4毫升的硼酸三甲酯溶解于100毫升的丙酮中，计算得到的B/C比为 0. 85%。将该溶液置于密封的鼓泡瓶5中，然后鼓泡瓶5放置在冰水混合溶液的 保温瓶6中，始终保持0'C;调节流量控制阀1使I,流量为200SCCM (毫升/分)，打开并调节隔离阀7和 针形阀2，使I2流量为40SCCM (毫升/分)。混合气体通入到热丝CVD反应室8中，样品9为3寸硅片，与热丝距离为 IO毫米。开真空泵IO，通过抽气调节ll，使反应室压力为-96.0KPa (剩余压力 40Torr，压力测量计12测量)。加热6根平排钜丝，使钽丝温度达2200'C左右， 开始了CVD金刚石沉积，硅片温度约为85(TC。经过6小时，硅片上得到厚约12 微米的P型导电(掺硼)金刚石薄膜，呈灰白色。本实施例中，将硼酸三甲酯按溶于丙酮中，将该溶液置于密封的鼓泡瓶5中。 将&的流量I分成二部分，其中L经过流量控制系统(质量流量计2或浮子式 流量计2)后，与丙酮蒸汽会合，直接进入反应室，另一路经过流量计2和针型 阀3的流量12，经保护瓶后，作为载气流入鼓泡瓶5的底部(鼓泡瓶5置于冰水 混合液体中)，经过丙酮溶液冒泡逸出，带动了丙酮溶液的挥发。这样，流经隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化学气相沉积制备掺硼导电金刚石薄膜方法，其特征在于，将硼酸三甲酯按预定的Ｂ／Ｃ比溶解于丙酮，并放置于始终保持０℃的鼓泡瓶中，以控制碳源和硼源的流量，部分氢气流量作为载气，用鼓泡法将液体蒸气带出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭松寿，沈荷生，孙方宏，张志明，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海交友钻石涂层有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]