本文選題：微波等離子體化學(xué)氣相沉積 + 金剛石膜�。� 參考：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：為了滿足微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)金剛石膜作為微波介電材料的應(yīng)用需求,本文從改變MPCVD生長參數(shù)制備不同品質(zhì)的金剛石膜入手,并同時(shí)設(shè)計(jì)和建立了一臺(tái)低損耗薄膜材料微波介電性能測(cè)試系統(tǒng),繼而探索了生長條件對(duì)金剛石膜品質(zhì)和微波介電性能的影響,并對(duì)金剛石膜介電損耗的機(jī)制進(jìn)行了討論。論文首先采用穹頂式MPCVD裝置在不同生長參數(shù)(包括甲烷濃度、沉積溫度)條件下,制備了不同品質(zhì)的金剛石膜,并采用傳統(tǒng)的表征方法對(duì)其進(jìn)行初步的評(píng)價(jià)。另外,由于金剛石膜在制備過程中,在非故意和故意摻雜的情況下經(jīng)常會(huì)嵌入氮雜質(zhì),因此,本文繼而研究了氮?dú)鉂舛仍?-40ppm范圍內(nèi)對(duì)所制備的金剛石膜品質(zhì)的影響。為滿足對(duì)金剛石膜介電性能進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試的需求,設(shè)計(jì)并建立了一臺(tái)工作模式為TE011、空腔諧振頻率為25GHz(K波段)的截止圓波導(dǎo)式低損耗薄膜微波介電性能測(cè)試裝置,并對(duì)該裝置的測(cè)試能力進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確測(cè)量厚度在180-380μm之間金剛石膜介電性能的能力,介電常數(shù)的測(cè)試誤差約為1%,損耗正切值的測(cè)試誤差約7%。在截止圓波導(dǎo)式諧振腔微波介電性能測(cè)試裝置成功建立的基礎(chǔ)上,對(duì)不同生長參數(shù)所制備金剛石膜的微波介電性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,生長參數(shù)對(duì)金剛石膜介電常數(shù)的影響較小,但對(duì)介電損耗的影響較大。在24GHz的測(cè)試頻率下,溫度為975℃,甲烷濃度為3%條件下所制備的金剛石膜具有較低的介電損耗。甲烷濃度的增加、沉積溫度的改變均會(huì)造成金剛石膜介電損耗增加。與此同時(shí),對(duì)氮?dú)鉂舛葹?-40ppm條件下制備的金剛石膜的測(cè)試結(jié)果表明,隨著氮?dú)鉂舛鹊脑黾雍徒饎偸べ|(zhì)量的下降,其介電損耗正切值出現(xiàn)復(fù)雜的變化趨勢(shì)。當(dāng)?shù)獨(dú)鉂舛葹?ppm的中間值時(shí),金剛石膜的損耗正切值最高。這一損耗正切值的變化趨勢(shì)與由拉曼光譜等傳統(tǒng)方法表征的金剛石膜質(zhì)量的變化趨勢(shì)有著顯著的差異。為探討金剛石膜的介電損耗機(jī)制,實(shí)驗(yàn)研究了金剛石膜微波介電性能的溫度依賴性和介電性能在K-Ka波段兩個(gè)頻率點(diǎn)間的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,金剛石膜介電常數(shù)的溫度依賴性較小,在300-445 K的溫度區(qū)間內(nèi),介電常數(shù)的溫度系數(shù)處于13±2ppm的范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,金剛石膜的損耗也隨溫度升高而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在假設(shè)損耗的溫度依賴性是由金剛石膜電導(dǎo)的溫度依賴性所決定的前提下,求出了金剛石膜的電導(dǎo)表觀激活能在0.081-0.14eV的范圍內(nèi)。此外,通過對(duì)金剛石膜拉曼譜半峰寬與金剛石膜介電損耗的頻率依賴性的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),拉曼譜半峰寬越大的樣品,其損耗的頻率依賴性偏離由電導(dǎo)機(jī)制所決定的1/f規(guī)律的傾向越明顯。對(duì)于拉曼譜半峰寬大于3.0 cm-1的金剛石膜,其損耗會(huì)隨著頻率的增加而增加。這表明,MPCVD金剛石膜的介電損耗可被分離為兩項(xiàng),第一項(xiàng)是電導(dǎo)損耗,第二項(xiàng)是由缺陷導(dǎo)致的單聲子聲學(xué)振動(dòng)激發(fā)損耗以及瑞利散射損耗。在此基礎(chǔ)上,對(duì)不同濃度氮摻雜的金剛石膜的兩項(xiàng)損耗進(jìn)行了分離,結(jié)合由介電損耗變溫測(cè)試獲得的金剛石膜電導(dǎo)表觀激活能隨氮摻雜濃度增加而上升的實(shí)驗(yàn)事實(shí),認(rèn)為氮施主缺陷對(duì)金剛石膜中的受主缺陷發(fā)生了補(bǔ)償作用,而這可能是在高氮雜質(zhì)濃度下金剛石膜損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 .
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ163;TB383.2

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本文編號(hào)：1993538