微波等离子体法化学气相合成立方氮化硼薄膜的研究

论文摘要

立方氮化硼（cBN）是一种人工合成的III-V族化合物半导体材料,它有许多优异的物理化学性质,如宽带隙（>6eV）,仅次于金刚石的硬度、高温下强的抗氧化能力、不与黑色金属反应、可实现n型和p型掺杂等,在机械、光学、电子学等方面有着非常诱人的应用前景,多年来一直吸引着国内外众多研究者的兴趣。本文采用微波等离子体化学气相沉积方法以及He-N2-H2-BF3的混合气体系统在Si片上成功制备了cBN薄膜。通过在反应过程中施加偏压实现了立方氮化硼的生长。通过改变气体组分、偏压变化、工作气压、微波功率等参数对cBN薄膜的生长规律进行了系统研究。运用FTIR、SEM、Raman等测试手段对沉积薄膜进行了结构表征,根据测试结果系统研究了工艺参数对制备cBN薄膜的影响规律,得到如下主要结果:1)在H2流量固定的情况下,随着BF3流量的逐渐增加,cBN的生长速率呈现先增加后减小的趋势;2)在BF3流量固定的情况下,H2流量存在一个合适的范围,大于或小于这个范围cBN难以生长;3)偏压是影响cBN薄膜生长的关键因素,在低偏压下没有cBN的生成,偏压需要达到足够高时才有cBN薄膜的生长;4)压强对cBN薄膜的制备也有较大影响,本研究确定了适于cBN生长的较佳压强范围;5)在本研究所采用的参数范围内,功率的变化对cBN薄膜的生长影响较大,只有功率达到一定值时,才有cBN薄膜的生长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 立方氮化硼的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 cBN的性质
• 1.4 cBN的应用前景
• 1.4.1 cBN机械方面的应用前景
• 1.4.2 cBN光学与微电子学方面的应用前景
• 1.5 cBN薄膜的制备方法
• 1.5.1 PVD方法制备cBN薄膜
• 1.5.2 CVD方法制备cBN薄膜
• 1.5.3 两种生长方法的比较
• 1.6 cBN薄膜制备中存在的主要问题
• 1.6.1 结晶度问题
• 1.6.2 结合性问题
• 1.6.3 重复性问题
• 1.6.4 生长机理问题
• 1.6.5 化学配比问题
• 1.7 本论文的研究意义和内容
• 第2章 cBN薄膜的结构特征
• 2.1 BN的四种异构体
• 2.1.1 六角氮化硼的结构和性质
• 2.1.2 菱形氮化硼的结构和性质
• 2.1.3 纤锌矿氮化硼的结构和性质
• 2.1.4 cBN的结构和性质
• 2.2 cBN薄膜的结构
• 2.2.1 非晶BN层
• 2.2.2 六角BN层
• 2.2.3 cBN层
• 2.2.4 近表面层
• 2.3 本章小结
• 第3章 cBN薄膜制备与表征
• 3.1 MPCVD沉积系统
• 3.1.1 MPCVD系统的特点
• 3.1.2 MPCVD系统的组成
• 3.2 等离子体介绍
• 3.3 微波等离子体原理和性质
• 3.4 辉光放电原理
• 3.5 cBN薄膜的表征方法
• 3.5.1 傅立叶变换红外谱
• 3.5.2 电子衍射和X射线衍射
• 3.5.3 扫描电子显微镜
• 3.5.4 激光拉曼光谱
• 3.6 本章小结
• 第4章 实验结果与分析
• 4.1 实验过程
• 4.1.1 衬底的选择
• 4.1.2 衬底预处理
• 4.1.3 样品制备
• 4.2 主要的沉积参数对cBN薄膜生长的影响
• 3流量变化对薄膜生长的影响'>4.2.1 BF₃流量变化对薄膜生长的影响
• 2流量变化对薄膜生长的影响'>4.2.2 H₂流量变化对薄膜生长的影响
• 4.2.3 偏压变化对薄膜生长的影响
• 4.2.4 压强变化对薄膜生长的影响
• 4.2.5 功率变化对薄膜生长的影响
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢