利用化學氣相沈積法研究鑽石薄膜之摻硼及大面積成長

Abstract

本論文的主旨為研究化學氣相沉積法合成鑽石薄膜之 技術。內容包 括兩個主題，將於第二章及第三章中分別探討。 第二章探討摻硼對多 晶鑽石膜之形態，品質及陰極發光(cathodoluminescence) 的影響。本實 驗採用硼酸三甲酯(B(OCH3)3)為摻雜源，在甲烷加二氧化碳之氣相組成中 ，以微波電漿化學氣相沈積法(MPCVD)合成摻硼之多晶質鑽石薄膜。鑽石 膜分別合成於ｐ型及ｎ型Si(100)基板上，並以掃瞄式電子顯微鏡(SEM)觀 察表面形態；以拉曼光譜儀 (Raman spectroscopy)鑑定鑽石品質；以二 次離子質譜儀 (SIMS)分析摻硼濃度；最後以陰極光譜儀(CL spectroscopy)觀察摻硼對其陰極發光的影響。我們發現添加硼酸三甲酯 作為摻雜源使鑽石之結晶性降低，並使其品質變差。但適當地降低甲烷濃 度，仍可合成結晶性良好的鑽石膜。SIMS分析則顯示硼原子在鑽石膜中的 縱深分佈相當均勻，即使膜厚達到 6μm仍有良好的均勻性。在CL光譜分 析方面，未摻硼之鑽石膜其放射特徵峰出現在2.8∼2.9eV處的藍光區，呈 現藍色發光。而摻硼後其放射特徵峰轉至2.3∼2.4eV附近的綠光區，呈現 綠色發光，且放射強度增加。由此結果我們推論硼原子已成功地摻入鑽石 結構中的取代型位置(substitutional site)而達到摻硼的目的。 @ 利 用化學氣相沈積法合成鑽石膜的另一個目標就是朝大面積化發展。第三章 探討大面積化熱燈絲化學氣相沈積設備 (HFCVD)的建立過程及構造細節。 本設備主要利用數條平行之鎢絲並聯，使裂解反應涵蓋區域增加以利大面 積鑽石膜之合成。文中對燈絲配置、冷卻系統、供氣方式及操作過程都有 詳細論述。合成之大面積鑽石膜及其品質分析鑑定亦在本章末詳細報導。 This thesis was intended as an investigation of diamond films synthesized by chemical vapor deposition (CVD). Two subjects were investigated in chapter 2 and chapter 3 respectively. In chapter 2, the effects of dopant source concentration on morphological features and cathodoluminescence (CL) of polycrystalline diamond films were investigated. Chapter 3 reports the details of establishing a hot filament assisted chemical vapor deposition (HFCVD) set-up for large-area diamond synthesis.