MPCVD高品质金刚石膜的制备与K-Ka波段微波介电性能研究

发布时间：2018-06-08 00:33

本文选题：微波等离子体化学气相沉积 + 金刚石膜　；参考：《北京科技大学》2017年博士论文

【摘要】：为了满足微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石膜作为微波介电材料的应用需求,本文从改变MPCVD生长参数制备不同品质的金刚石膜入手,并同时设计和建立了一台低损耗薄膜材料微波介电性能测试系统,继而探索了生长条件对金刚石膜品质和微波介电性能的影响,并对金刚石膜介电损耗的机制进行了讨论。论文首先采用穹顶式MPCVD装置在不同生长参数(包括甲烷浓度、沉积温度)条件下,制备了不同品质的金刚石膜,并采用传统的表征方法对其进行初步的评价。另外,由于金刚石膜在制备过程中,在非故意和故意掺杂的情况下经常会嵌入氮杂质,因此,本文继而研究了氮气浓度在0-40ppm范围内对所制备的金刚石膜品质的影响。为满足对金刚石膜介电性能进行系统测试的需求,设计并建立了一台工作模式为TE011、空腔谐振频率为25GHz(K波段)的截止圆波导式低损耗薄膜微波介电性能测试装置,并对该装置的测试能力进行了验证。实验结果表明,该装置具有稳定、准确测量厚度在180-380μm之间金刚石膜介电性能的能力,介电常数的测试误差约为1%,损耗正切值的测试误差约7%。在截止圆波导式谐振腔微波介电性能测试装置成功建立的基础上,对不同生长参数所制备金刚石膜的微波介电性能进行了表征。结果表明,生长参数对金刚石膜介电常数的影响较小,但对介电损耗的影响较大。在24GHz的测试频率下,温度为975℃,甲烷浓度为3%条件下所制备的金刚石膜具有较低的介电损耗。甲烷浓度的增加、沉积温度的改变均会造成金刚石膜介电损耗增加。与此同时,对氮气浓度为0-40ppm条件下制备的金刚石膜的测试结果表明,随着氮气浓度的增加和金刚石膜质量的下降,其介电损耗正切值出现复杂的变化趋势。当氮气浓度为1ppm的中间值时,金刚石膜的损耗正切值最高。这一损耗正切值的变化趋势与由拉曼光谱等传统方法表征的金刚石膜质量的变化趋势有着显著的差异。为探讨金刚石膜的介电损耗机制,实验研究了金刚石膜微波介电性能的温度依赖性和介电性能在K-Ka波段两个频率点间的变化趋势。实验结果表明,金刚石膜介电常数的温度依赖性较小,在300-445 K的温度区间内,介电常数的温度系数处于13±2ppm的范围内。实验结果还表明,金刚石膜的损耗也随温度升高而呈现增加趋势。在假设损耗的温度依赖性是由金刚石膜电导的温度依赖性所决定的前提下,求出了金刚石膜的电导表观激活能在0.081-0.14eV的范围内。此外,通过对金刚石膜拉曼谱半峰宽与金刚石膜介电损耗的频率依赖性的相关关系进行分析后发现,拉曼谱半峰宽越大的样品,其损耗的频率依赖性偏离由电导机制所决定的1/f规律的倾向越明显。对于拉曼谱半峰宽大于3.0 cm-1的金刚石膜,其损耗会随着频率的增加而增加。这表明,MPCVD金刚石膜的介电损耗可被分离为两项,第一项是电导损耗,第二项是由缺陷导致的单声子声学振动激发损耗以及瑞利散射损耗。在此基础上,对不同浓度氮掺杂的金刚石膜的两项损耗进行了分离,结合由介电损耗变温测试获得的金刚石膜电导表观激活能随氮掺杂浓度增加而上升的实验事实,认为氮施主缺陷对金刚石膜中的受主缺陷发生了补偿作用,而这可能是在高氮杂质浓度下金刚石膜损耗正切反常降低的原因。
[Abstract]:In order to meet the demand of microwave dielectric material , the dielectric properties of diamond films with different growth parameters were studied . The two losses of diamond films doped with different concentrations of nitrogen were separated , and the experimental facts that the apparent activation energy of the diamond film obtained by the dielectric loss test was increased with the increase of the nitrogen doping concentration . The main defects in the diamond film were compensated by the nitrogen donor defect , which could be the reason of the abnormal decrease of the diamond film loss under the high nitrogen impurity concentration .
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ163;TB383.2

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