改进的动态硼掺杂工艺优化策略

本书中BDD薄膜的制备采用的是经过改进的动态硼掺杂工艺，该工艺的反应气路原理与图2-1所示基于液体碳源的MCD薄膜沉积气路原理相同，从氢气钢瓶中减压流出的H2被分成两路，其中一路经过基于气体质量流量计的流量控制系统直接进入反应腔；而另一路中H2作为载气（图2-1中甲烷气路），首先经过基于气体质量流量计的流量控制系统和保护瓶，流入鼓泡瓶的底部，带动碳源和硼源的掺杂溶液蒸发逸出，与纯氢气混合后进入反应腔。碳源和硼源的混合溶液根据不同硼掺杂比的需要，按照预定的硼碳原子比，将硼酸三甲酯［B（OCH3］3）溶解于丙酮中制成。碳源和硼源混合溶液放置于恒温水浴（0～50℃）中，以保证其饱和蒸汽压的恒定，因此可通过载流氢气的流量来控制混合溶液的蒸发量，比较精确地控制碳源流量并实现定量掺杂。流量控制装置置于鼓泡瓶之前是因为用作碳源的分析纯丙酮中也含有少量水分，在管路中可能会有部分硼源遇水后固态析出，如果流量控制装置中的流量计和控制阀门置于鼓泡瓶后可能会因为硼源析出而堵塞。相对于传统的动态硼掺杂工艺，本工艺主要做了如下改进：①使用可自动控制的、计量精度更高的气体质量流量计替代气体浮子流量计，基于气体质量流量计的流量控制系统可以实现流量的自动控制，并且流量控制的精度更高；②本工艺中采用恒温水浴（0～50℃）作为鼓泡瓶的恒温装置，可以更加有效地稳定液体碳源的饱和蒸汽压；③本工艺中还采用了可自动反馈控制的温度和总反应压力控制系统代替了原用的手动控制系统，可以进一步提高动态硼掺杂工艺中各沉积参数的控制精度和控制灵敏度。

本工艺中选择硼酸三甲酯作为硼源的原因如下：①相对于硼烷等常用的剧毒硼掺杂气体，硼酸三甲酯是无毒的液体，并且硼酸三甲酯与丙酮类似，具有很好的可挥发性，采用鼓泡法可以很容易地随同挥发的丙酮以及氢气载气一起进入反应室，并且保证比较精确的碳源含量和硼掺杂量。②硼酸三甲酯的分子结构包括一个硼原子、三个氧原子和三个甲基，其中硼氧键的键能小于碳氧键的键能，在反应过程中比碳氧键更容易断裂。因此，硼酸三甲酯在反应过程中首先电离出硼离子和—OCH3基团，其中，—OCH3基团会继续电离出氧离子和碳氢基团，这一方面能够增加反应气体中的碳源浓度，另一方面，电离出的氧离子对非金刚石相具有刻蚀作用，这对于提高金刚石薄膜的生长速率以及改善薄膜质量均有显著作用。③除此之外，硼酸三甲酯不会带入其他的杂质元素。(www.xing528.com)

但是，由于硼酸三甲酯是液态，采用丙酮作为碳源更便于掺杂，因此本书有关硼掺杂的研究全部基于丙酮碳源。