纳米金刚石薄膜微观结构和场发射性能研究(4)
MWPCVD不仅可以沉积出高纯度的金刚石薄膜，沉积速率也可以通过增大微波功率来提高。用5kW 微波功率的WMPCVD，可以以10μm/h的速率沉积工具级金刚石薄膜，8bμm/h的速率沉积热沉级金刚石薄膜，3μm/h的速率沉积光学级金刚石薄膜。于1999年，美国ASTEX公司成功研制出75kW、915MHz频率的MWPCVD装置，大大提高了金刚石薄膜的沉积速率，降低了生产成本，所沉积出的金刚石粒径也从50mm上升到250mm。在我国，MWPCVD装置的研制与发达国家如美国、日本相比虽有一定的距离，但这种差距正在逐步缩小。在1993年和1997年我国相继研制成功了800kW 的天线耦合石英钟罩式和5kW 不锈钢腔体天线耦合式MWPCVD装置[14]。
MWPCVD法的特点是：无内部电极，可避免电极放电污染和电极腐蚀；运行气压范围宽；等离子体密度高，可产生大体积均匀等离子体；可在曲面或复杂表面上沉积金刚石薄膜等。但是此方法也有不足之处，就是沉积速率偏低。尽管如此，此方法仍是目前用于沉积金刚石薄膜最为广泛的方法。
1.4金刚石薄膜的掺杂
1.4．1金刚石薄膜掺杂的方法
实现金刚石薄膜的掺杂方法主要有3种， 即扩散、离子注入和生长过程掺杂，其中对后2 种方法研究的较多。
（1）扩散方法
Y. Mori 等[15]报道了氧扩散进入金刚石薄膜的实验。先通过处理使金刚石薄膜表面吸附含氧物质， 然后在1.33 kPa 的真空下用氢等离子体处理45 min，氧掺入浓度可达1020 cm- 3，且均匀分布。没有用拉曼谱分析金刚石结构的损伤。另外，没有发现同时附上的S、Cr 等元素进入金刚石薄膜中，值得注意的是S、Cr 原子的半径比氧原子的半径大得多。样品的阴极荧光谱分析发现, 3.75 eV、4.64 eV 2 个发光中心与带隙中氧杂质能级有关，和金刚石5.50 eV 的带隙相比，这是很深的缺陷能级，常温下难以激活。K. Okumura 等[16]报道了在高温高真空环境下，Li 扩散进入CVD 高阻金刚石薄膜的实验。SIMS 的分析表明，Li 确实以扩散方式进入样品中，但是金刚石薄膜的电导率只有很小改变, 可能的解释是受扩散系数和平衡浓度的限制，Li 在样品中的浓度较低，被合成金刚石薄膜中的固有缺陷受主补偿，使施主作用变得非常微弱。实验目的主要是提供一种可能的掺杂途径[17]。
（2）离子注入法
离子注入在半导体表层中掺杂的成功应用使离子束表面改性技术得以发展。利用离子注入方法掺杂，可以有效地控制掺入金刚石的杂质种类和浓度，而不受该杂质在金刚石中的平衡溶解度的影响。同时，离子注入有利于控制杂质在膜中的密度和深度分布。因此这种掺杂方法被广泛应用在半导体工艺中[18]。但是利用离子注入方法成功地实现金刚石薄膜掺杂的例子仍比较少，主要是由于金刚石的离子注入和退火比其他半导体材料更为复杂。离子注入到材料里总是伴随有键的断裂和缺陷的产生，因此要选择适当的离子注入工艺条件和退火工艺来避免或消除由离子注入造成的晶格损伤等缺陷，否则这些缺陷会掩盖真正的化学掺杂的效果，这主要表现为[19]：在禁带中产生与缺陷有关的能级；产生导电路径( 跃迁或渗透)，特别是通过sp2 键态或团族态形成的杂质-缺陷复合体使杂质原子钝化。所以，为了能得到较好质量的掺杂样品， 离子注入过程中产生的缺陷必须要得到控制。离子注入引起的晶格损伤与离子注入的种类、剂量、注入时靶温、退火温度及退火方式等因素有关。要获得电阻率较低的掺杂金刚石薄膜，必须根据不同的杂质元素来选择合适剂量和退火方式。采用离子注入法得到P型( 硼注入) 和N型( 还没有高质量的N型样品) 金刚石的工艺已有报道[20-22]。