CN108660432A - 一种具有晶粒密堆积结构的高迁移率n型纳米金刚石薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种具有晶粒密堆积结构的高迁移率n型纳米金刚石薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有新颖微结构的高迁移率n型纳米金刚石薄膜及其制备方法：采用热丝化学气相沉积方法(HFCVD)，在单晶硅衬底上制备纳米金刚石薄膜。以丙酮作为碳源，采用氢气鼓泡方式将碳源带入反应室腔体，生长时间约40‑60分钟，制备得到厚度1‑3μm左右的纳米金刚石薄膜，晶粒尺寸10‑30nm，薄膜中非晶碳晶界含量非常少。对该晶粒密堆积纳米金刚石薄膜进行硫离子以及氧离子注入，注入后的样品再进行低真空退火，即得到所述迁移率普遍达到400cm2/V·s以上的n型纳米金刚石薄膜。对于实现金刚石薄膜在半导体器件、光电子领域、场发射显示器等领域的应用具有十分重要的意义和价值。

Description

一种具有晶粒密堆积结构的高迁移率n型纳米金刚石薄膜及 其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有晶粒密堆积结构的高迁移率n型纳米金刚石薄膜及制备方法。
背景技术
金刚石具有很宽的禁带宽度，这使得它成为继硅、锗等材料之后的新一代半导体材料，在机械、光电子、电化学、半导体等高新技术领域中有广阔的应用前景。但是，目前金刚石并未在微电子工业中获得应用，关键原因是很难制备低电阻率高迁移率的n型金刚石薄膜，从而难于制作pn结等原型器件。成功制备高电导率的n型金刚石薄膜，实现金刚石在微电子工业中的应用，可能引发电子工业的革命，具有极其重要的理论和应用价值。
多年来，众多研究者尝试在单晶金刚石薄膜和微晶金刚石薄膜中掺入杂质元素，期望获得高电导率的n型金刚石薄膜，但都没有获得良好的效果，掺杂后的金刚石薄膜电导率低，电子迁移率低，难以用作电子器件。
纳米金刚石薄膜具有优异的物理性能，如硬度高，摩擦系数小，场发射阈值低等；并且纳米金刚石薄膜具有独特的微结构，纳米尺寸的金刚石晶粒镶嵌在非晶碳晶界中。这样的微结构使纳米金刚石薄膜具有比微晶和单晶金刚石薄膜更好的掺杂潜力。
在薄膜生长过程中掺杂或离子注入是比较常用的在金刚石薄膜中加入其他元素的方法。目前大部分研究都是围绕在生长过程中掺杂进行的，掺杂的杂质主要有硼、氮、磷、氧、硫等。遗憾的是通过此类方式获取的金刚石薄膜电阻率高，载流子浓度低，迁移率不高，无法达到应用要求。
离子注入是在已经生长好的金刚石薄膜上通过特殊装置将掺杂元素的离子注入，这种方式较生长过程中掺杂的优点在于，可以通过控制注入的能量和时间控制杂质在金刚石薄膜中的密度和分布。在我们的授权专利ZL 201210594869.4，ZL 201510219422.2中，在纳米金刚石薄膜中注入磷离子或氧离子，获得n型电导，且迁移率较高，达到684cm2/V·s。但这些薄膜的电学性能还有很大的提升空间，薄膜的迁移率还可以进一步提高，面电阻率也可以再降低。同时，已有的方法中，主要对普通的纳米金刚石薄膜进行离子注入，这类纳米金刚石薄膜由纳米金刚石晶粒和明显的非晶碳晶界组成，大量的非晶碳晶界阻碍了薄膜电学性能的进一步提高。为了提高薄膜的电学性能，本专利通过调整化学气相沉积工艺参数，制备了非晶碳晶界含量很少的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜；并在薄膜中分别注入硫离子和氧离子；纳米晶粒密堆积金刚石薄膜中的晶界含量少，因此注入的硫离子或氧离子会集中于纳米金刚石颗粒内部而不是晶界中，有利于提高薄膜的n型电导。控制离子注入的时间和能量，并在一定的温度下进行低真空退火，以制备获得高迁移率的n型纳米金刚石薄膜，迁移率在常温下基本高于400cm2V-1s-1，最高可以达到～1007.1cm2V-1s-1，使金刚石更好地应用在半导体领域，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有新颖微结构的高迁移率n型纳米金刚石薄膜及其制备方法。
本发明采用的技术方案是：
一种具有新颖微结构的高迁移率(Hall迁移率最高达到～1007.1cm2V-1s-1)n型纳米金刚石薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)采用热丝化学气相沉积方法(HFCVD)，在预处理后的单晶硅衬底上制备纳米晶粒密堆积金刚石薄膜(所得薄膜中金刚石晶粒尺寸在10-30nm，非晶碳晶界含量少，晶粒之间形成大量界面)；(2)采用离子注入的方法，在步骤(1)得到的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜中注入硫离子或氧离子，得到离子注入后的薄膜；(3)将步骤(2)中得到的离子注入后的薄膜进行低真空氧化退火：真空度1000-7000Pa，退火温度500～1200℃，退火时间10-50分钟，即可得到所述具有纳米晶粒密堆积的高迁移率n型离子注入纳米金刚石薄膜。
按照上述方法制备的n型离子注入纳米金刚石薄膜，其Hall迁移率在不同工艺条件下，普遍在400cm2V-1s-1以上，最高可达到1007.1cm2V-1s-1。其方块电阻基本在1×10^2Ω/□数量级。相较于掺杂后的普通纳米金刚石薄膜有较大提高。
所述步骤(1)中，纳米金刚石薄膜采用热丝化学气相沉积法在单晶硅衬底上制备，可采用常规热丝化学气相沉积设备进行制备，要求所得金刚石薄膜厚度在1-3μm，晶粒尺寸10-30nm，非晶碳晶界含量少，晶粒之间形成大量界面。
进一步，步骤(1)中所述预处理为：配置金刚石微粉和丙酮的混合溶液，混合溶液中金刚石微粉的加入量为0.01～0.001g/ml丙酮，将单晶硅片置于其中震荡30-50min，之后再用干净的丙酮清洗两次，干燥后作为纳米金刚石薄膜的衬底。
进一步，所述步骤(1)的具体方法为：将预处理后的单晶硅衬底置于热丝化学气相沉积设备的反应转台上，以丙酮(0℃)作为碳源，采用氢气鼓泡方式将碳源带入反应室腔体，碳源流量40-100sccm，额外通入氢气流量150-240sccm，反应腔体内温度为500～600℃、热丝功率1800-2400W、在生长过程中关闭偏压，生长时间40-60分钟，制备得到厚度1-3μm，晶粒尺寸在10-30nm左右的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜。
进一步，步骤(2)中，离子注入的工艺参数为：注入剂量为1011～1014cm-2、离子注入能量为60-100keV。
其中硫离子注入剂量1014cm-2，注入能量90keV，退火温度900℃的纳米金刚石薄膜霍尔迁移率高达1007.1cm2V-1s-1。
本发明还提供了利用上述制备方法制备所得的具有新颖微结构的高迁移率n型纳米金刚石薄膜。所制备薄膜的晶粒尺寸在10-30nm，晶粒之间密堆积形成界面，非晶碳含量极少。
本发明的有益效果主要体现在：(1)方法简单、易于操作；(2)薄膜具有纳米晶粒密堆积的新颖微结构，晶粒之间形成大量界面，减少了不利于电导的非晶碳相的影响；(3)采用离子注入方法可以保证注入的杂质离子均匀分布；(4)在纳米晶粒密堆积金刚石薄膜中进行离子注入，可以确保硫离子主要存在于金刚石相中；(5)采取低真空退火的方式可以修复离子注入对金刚石薄膜造成的损伤破坏；(6)制备得到最高Hall迁移率达1007.1cm2V-1s-1的n型电导的硫离子注入纳米金刚石薄膜；对实现金刚石薄膜在半导体器件、光电子领域、场发射显示器等领域的应用具有十分重要的意义和价值。
附图说明
图1硫离子注入剂量为1×1012cm-2，在900℃低真空退火后的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的可见光Raman光谱。
图2(a)常见非密堆积结构纳米金刚石薄膜的透射电镜暗场像图；(b)硫离子注入剂量为1×1011cm-2，在900℃低真空退火后的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的透射电镜暗场像图。
图3(a)常见非密堆积结构纳米金刚石薄膜的透射电镜明场像图；(b)硫离子注入剂量为1×1011cm-2，在900℃低真空退火后的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的透射电镜明场像图。
图4(a)常见非密堆积结构纳米金刚石薄膜的高分辨透射电镜图；(b)硫离子注入剂量为1×1011cm-2，在900℃低真空退火后的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的高分辨透射电镜图。
图5氧离子注入剂量为1×1012cm-2，在900℃低真空退火后的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的可见光Raman光谱。
图6(a)氧离子注入剂量为1×1012cm-2，在900℃低真空退火后的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的透射电镜图。(b)图和(c)图为(a)图中白色方框的放大图，(c)为样品转动15度时图片，(b)为没有转动样品图片。(b)(c)中的插图为(b)(c)中白色方框区域的傅里叶变换图。
图7硫离子注入剂量为1×1012cm-2，在700℃低真空退火后的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：
用金刚石微粉(0.1g)和丙酮(50ml)的混合液对单晶硅片进行超声震荡，震荡时间为30min。震荡后的硅片用丙酮试剂超声清洗两次，每次2min，干燥后的硅片作为纳米晶粒密堆积金刚石薄膜生长时的衬底。采用热丝化学气相沉积方法(化学气相沉积设备购自上海交友钻石涂层有限公司，设备型号：JUHFCVD001)，以0℃的丙酮作为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入至反应腔内部，流量80sccm，额外通入氢气流量200sccm，反应室温度控制在500～600℃范围内，热丝功率2200W，在生长过程中关闭偏压，纳米金刚石薄膜生长时间为50分钟，制备出的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的厚度在1μm左右。
采用100keV同位素分离器，注入能量为90keV，在纳米金刚石薄膜中注入剂量为1×1012cm-2的硫离子(S+，在离子注入工艺中，一般剥掉该原子的一个电子使其变为带正电荷的离子，与通常意义上的离子概念有所不同)，并在900℃、4000Pa气压下进行30min低真空退火，即得到了所述高迁移率的n型硫离子注入纳米晶粒密堆积金刚石薄膜。
采用波长514nm的Raman光谱对薄膜成分进行分析，如图1所示，可以看出，图谱中出现了1140，1332,1350,1470和1560cm-1等特征峰。1332cm-1为金刚石特征峰，确定了薄膜中金刚石相的存在；1560cm-1为无序sp2键石墨的特征峰，1140和1470cm-1为反式聚乙炔链的特征峰，1350cm-1为sp3键碳团簇的特征峰。说明薄膜主要由金刚石相和无序石墨相组成，但晶界中包含少量其他相，这与通常的纳米金刚石薄膜的可见光Raman特征谱图接近。
采用高分辨透射电镜对样品进行微结构分析。图2中a图为典型的纳米金刚石薄膜透射电镜暗场像图。可以观察到，纳米金刚石颗粒呈现类球状颗粒分散分布。颗粒与颗粒之间有较多较大的间隙，一般为石墨、反式聚乙炔以及其他非晶碳相。图2中b图为硫离子注入剂量为1×1011cm-2，在900℃低真空退火后的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的透射电镜暗场像图。可以观察到薄膜由很多10-30nm左右的颗粒组成，且结合紧密，没有过多非晶体相。图3中a图为典型的纳米金刚石薄膜透射电镜明场像图，该图中可以更加明显看出金刚石晶粒为球状颗粒堆叠的结构，而球状颗粒的堆叠是不可能形成密堆积结构的，其中必然存在其他相，以填补孔隙。图4的a图中的4号方框就是标记的球状颗粒的间隙，其对应的傅里叶转换图为右下角的插图ft4，说明间隙物质为非晶碳相。而插图ft3说明球状颗粒为金刚石颗粒。图3中b图为硫离子注入剂量为1×1011cm-2，在900℃低真空退火后的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的透射电镜明场像图。纳米晶粒密堆积金刚石薄膜中的晶粒呈片状，由不同的多边形纳米晶粒密集堆叠。图4的b图显示了纳米晶粒密堆积金刚石薄膜中两个晶粒的界面结构。白色条纹为两个晶粒的界面处，1号方框和2号方框分别标明了两个晶粒，从它们的傅里叶转换图(插图1和2)中可以看出它们是晶格取向不同的两个晶粒。从它们的边界的傅里叶转换图(插图3和4)可以看出它们结合非常紧密，几乎没有其他的相存在于界面处。这说明我们成功制备了纳米晶粒密堆积金刚石薄膜。
将退火后的薄膜溅射上Ti/Au电极进行电学性能测试，具体步骤是：首先用丙酮清洗试样表面，再用丙酮超声清洗试样两次，每次一分钟，以去除表面非金刚石相。用SPC-350多靶磁控溅射仪在薄膜上溅射四个排列成正方形的500nm厚的金属Ti电极(1×1mm2)，接着在电极上用真空镀膜机蒸镀金属Au(厚约500nm)，300℃退火30分钟。测试得到的薄膜为n型电导，霍尔迁移率为695.5cm2/Vs，霍尔系数-1.53m2/C，面载流子浓度4.07E18 1/m2，方块电阻22.06Ω/□。这说明通过以上处理我们得到了迁移率达到400cm2/Vs以上的n型纳米金刚石薄膜。
实施例2：
用金刚石微粉(0.1g)的丙酮(50ml)的混合液对单晶硅片进行超声震荡，震荡时间为30min。震荡后的硅片用干净的丙酮试剂超声清洗两次，每次2min，干燥后的硅片作为纳米晶粒密堆积金刚石薄膜生长时的衬底。采用热丝化学气相沉积方法(化学气相沉积设备购自上海交友钻石涂层有限公司，设备型号：JUHFCVD001)，以0℃的丙酮作为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入至反应腔内部，流量90sccm，额外通入氢气流量200sccm，反应室温度控制在500～600℃范围内，热丝功率2400W，在生长过程中关闭偏压，纳米金刚石薄膜生长时间为50分钟，制备出的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的厚度在1μm左右。
采用100keV同位素分离器，注入能量为90keV，在纳米金刚石薄膜中注入剂量为1×1012cm-2的氧离子，并在900℃、4000Pa气压下进行30min低真空退火，即得到了所述高迁移率的n型氧离子注入纳米晶粒密堆积金刚石薄膜。
采用波长514nm的Raman光谱对薄膜成分进行分析，如图5所示，可以看出，图谱中出现了1140，1332,1350,1470和1560cm-1等特征峰。1332cm-1为金刚石特征峰，确定了薄膜中金刚石相的存在；1560cm-1为无序sp2键石墨的特征峰，1140和1470cm-1为反式聚乙炔链的特征峰，1350cm-1为sp3键碳团簇的特征峰。说明薄膜主要由金刚石相和无序石墨相组成，但晶界中包含少量其他相，这与通常的纳米金刚石薄膜的可见光Raman特征谱图接近。
采用高分辨透射电镜对样品进行微结构分析，如图6。从图6的a图可以观察到薄膜同样是由很多片状多边形的金刚石晶粒组成，晶粒尺寸在15nm左右，对其中的一个边界区(a图中的白色方框区域)进行放大，得到图6的b图和c图。b图和c图为相同区域的透射电镜图片，c图为样品旋转15度后在相同位置的透射电镜图片。b图中边界下方为晶格条纹明显的金刚石晶粒，插图为白色方框区域对应的傅里叶转换图，也可以说明该晶粒确实为金刚石晶粒。但是边界上方却没有晶格条纹，这是由于边界上方的金刚石颗粒的晶带轴不是处在衍射条件，所以无法在该角度下看到金刚石晶粒。当我们将样品旋转15度后，可以得到c图。在同样的位置，就能发现边界上方出现了横向的晶格条纹，这与边界下方的金刚石晶粒的取向不同，也说明边界上下是不同的金刚石晶粒，而不是一颗晶粒的面缺陷导致界面的出现。此处金刚石晶粒与晶粒之间的界面也非常窄小。这说明我们成功制备了纳米晶粒密堆积金刚石薄膜。
将退火后的薄膜溅射上Ti/Au电极进行电学性能测试，具体步骤是首先丙酮清洗试样表面，再用丙酮超声清洗试样两次，每次一分钟，以去除表面非金刚石相。用SPC-350多靶磁控溅射仪在薄膜上溅射四个排列成正方形的500nm厚的金属Ti电极(1×1mm2)，接着在电极上用真空镀膜机蒸镀金属Au(厚约500nm)，300℃退火30分钟。测试得到薄膜为n型电导，霍尔迁移率407cm2/Vs，霍尔系数-12.45m2/C，载流子浓度-2.51E22 1/m3，电阻率0.06Ω/cm。这说明通过以上处理我们得到了迁移率达到400cm2/Vs以上的n型纳米晶粒密堆积金刚石薄膜。
实施例3：
用金刚石微粉(0.1g)和丙酮(50ml)的混合液对单晶硅片进行超声震荡，震荡时间为30min。震荡后的硅片用丙酮试剂超声清洗两次，每次2min，干燥后的硅片作为纳米晶粒密堆积金刚石薄膜生长时的衬底。采用热丝化学气相沉积方法(化学气相沉积设备购自上海交友钻石涂层有限公司，设备型号：JUHFCVD001)，以0℃的丙酮作为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入至反应腔内部，流量80sccm，额外通入氢气流量200sccm，反应室温度控制在500～600℃范围内，热丝功率2200W，在生长过程中关闭偏压，纳米金刚石薄膜生长时间为50分钟，制备出的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的厚度在1μm左右。
采用100keV同位素分离器，注入能量为90keV，在纳米金刚石薄膜中注入剂量为1×1012cm-2的硫离子(S+，在离子注入工艺中，一般剥掉该原子的一个电子使其变为带正电荷的离子，与通常意义上的离子概念有所不同)，并在700℃、4000Pa气压下进行30min低真空退火，即得到了所述高迁移率的n型硫离子注入纳米晶粒密堆积金刚石薄膜。
采用高分辨透射电镜对样品进行微结构分析。图7为硫离子注入剂量为1×1012cm-2，在700℃低真空退火后的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜的透射电镜。可以观察到，薄膜由很多碎片状颗粒组成，与图6(a)以及图3(b)非常接近，只是颗粒尺寸略有区别。可以看出它们同样结合非常紧密，几乎没有其他的相存在于界面处。这说明我们成功制备了纳米晶粒密堆积金刚石薄膜。
将退火后的薄膜溅射上Ti/Au电极进行电学性能测试，具体步骤是：首先用丙酮清洗试样表面，再用丙酮超声清洗试样两次，每次一分钟，以去除表面非金刚石相。用SPC-350多靶磁控溅射仪在薄膜上溅射四个排列成正方形的500nm厚的金属Ti电极(1×1mm2)，接着在电极上用真空镀膜机蒸镀金属Au(厚约500nm)，300℃退火30分钟。测试得到的薄膜为n型电导，霍尔迁移率为400.5cm2/Vs，霍尔系数-0.60m2/C，面载流子浓度1.05E19 1/m2，方块电阻15.21Ω/□。这说明通过以上处理我们得到了迁移率达到400cm2/Vs以上的n型纳米金刚石薄膜。

Claims (5)

1.一种高迁移率n型纳米金刚石薄膜的制备方法，其特征在于所述制备方法包括以下步骤：(1)将预处理后的单晶硅衬底置于热丝化学气相沉积设备的反应转台上，以丙酮作为碳源，采用氢气鼓泡方式将碳源带入反应室腔体，碳源流量40-100sccm，额外通入氢气流量150-240sccm，反应腔体内温度为500～600℃、热丝功率1800-2400W、在沉积过程中关闭偏压，生长时间40-60分钟，制备得到厚度1-3μm，晶粒尺寸在10-30nm的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜；(2)采用离子注入的方法，在步骤(1)得到的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜中注入硫离子或氧离子，得到离子注入后的薄膜；(3)将步骤(2)中得到的离子注入后的薄膜进行低真空氧化退火：真空度1000-7000Pa，退火温度500～1200℃，退火时间10-50分钟，即可得到所述高迁移率n型离子注入纳米金刚石薄膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述预处理为：配置金刚石微粉和丙酮的混合溶液，混合溶液中金刚石微粉的加入量为0.01～0.001g/ml丙酮，将单晶硅片置于其中震荡30-50min，之后再用干净的丙酮清洗两次，干燥后作为纳米金刚石薄膜的衬底。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述离子注入的注入剂量为1011～1014cm-2、离子注入能量为60-100keV。
4.如权利要求1～3之一所述的制备方法制备的高迁移率n型纳米金刚石薄膜。
5.如权利要求4所述的纳米金刚石薄膜，其结构特征为：晶粒尺寸在10-30nm，晶粒之间密堆积形成界面，非晶碳含量极少。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111155071A (zh) * 2019-12-25 2020-05-15 浙江工业大学 硫离子注入纳米金刚石-石墨烯复合薄膜电极及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101717913A (zh) * 2009-12-10 2010-06-02 浙江工业大学 一种n型纳米金刚石薄膜及制备方法
CN104882366A (zh) * 2015-03-31 2015-09-02 浙江工业大学 一种n型纳米金刚石薄膜/p型单晶硅的异质pn结原型器件及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101717913A (zh) * 2009-12-10 2010-06-02 浙江工业大学 一种n型纳米金刚石薄膜及制备方法
CN104882366A (zh) * 2015-03-31 2015-09-02 浙江工业大学 一种n型纳米金刚石薄膜/p型单晶硅的异质pn结原型器件及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨世兴: "《高频大功率声表面波器件的AIN/金刚石多层膜制备及性能研究》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111155071A (zh) * 2019-12-25 2020-05-15 浙江工业大学 硫离子注入纳米金刚石-石墨烯复合薄膜电极及其制备方法
CN111155071B (zh) * 2019-12-25 2022-06-21 浙江工业大学 硫离子注入纳米金刚石-石墨烯复合薄膜电极及其制备方法

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