（材料學專業(yè)論文）金剛石膜粒子探測器的制備和性能研究.pdf

摘要 本論文利用金剛石的寬禁帶 高電阻率 低原子序數(shù)等優(yōu)異性能 研制具有 高信噪比 結(jié)構(gòu)簡單 抗輻射的單元金剛石薄膜粒子探測器 采用微波等離子體法 m p c v d 在硅襯底上制備高質(zhì)量的金剛石薄膜 并 將金剛石薄膜在進行退火和表面氧化處理后 鍍上c r a u 電極 制備出單元粒子 探測器 通過消光系數(shù) 折射率 光學顯微鏡形貌和拉曼光譜和1 v 曲線來表征 金剛石薄膜的質(zhì)量 通過測量對a 粒子和x r a y 的響應(yīng)來評定探測器的性能 m p c v d 法在成核溫度為7 0 0 生長溫度為8 0 09 c 生長壓強為2 5 t o r t 時 生長的金剛石薄膜表面平整 晶形規(guī)則 雜質(zhì)原子和石墨相少 5 0 0 下退火可 降低金剛石薄膜的自由能 使c c 鍵向c c 鍵轉(zhuǎn)換 空隙和雜質(zhì)原子被排出 薄 膜電阻率上升 用濃硫酸和雙氧水對金剛石薄膜表面氧化處理可以消除金剛石薄 膜表面的石墨相 顯著的降低探測器的漏電流 由于多晶結(jié)構(gòu)和表面態(tài)影響 金 屬c r 和a u 都能和金剛石薄膜形成歐姆接觸 探測器對a 粒子x r a v 的響應(yīng)表明 探測器有好的信噪比 能量分辨率和較快的響應(yīng)速度 關(guān)鍵字 m p c v d 金剛石薄膜 退火 表面氧化 歐姆接觸 探測器 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r o u rm a i nw o r ki st h ef a b r i c a t i o no fu m td i a m o n dp a r t i c l e s d e t e c t o rw i t h g o o ds i g n a l t o n o i s ep e r f o r m a n c e s i m p l es t r u c t u r e a n dr e s i s t a n tt o r a d i a t i o nb e c a u s eo ft h ed i a m o n dh a ss u c h p r o p e r t i e s a sw i d ee n e r g yb a n d h i 跌 r e s i s t a n ta n dt o wa t o m i cn u m b e r h i g hq u a l i t y d i a m o n df i l mi sg r o w no ns is u b s t r a t eb ym i c r o w a v ep l a s m a c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n m p c v d m e t h o d a f t e r a n n e a l i n ga n ds u r f a c eo x i d i z i n g t r e a t m e n t c ro ra ue l e c t r o d ei se v a p o r a t e do n t ot h ed i a m o n df i l mt of a b r i c a t et h e p a r t i c l e sd e t e c t o r 強eq u a l i t yo f t h ed i a m o n df i l mc a l lb ei n d i c a t e db ys u c h p h y s i c a l p a r a m e t e r so rm e t h o d s e x t i n c t i o nc o e f f i c i e n t r e f r a c t i v ei n d e x o p t i c a lm i c r o s c o p e i m a g e r o m a ns p e c t r u m i n t e n s et ov o l t a g ec l k r v e t h r o u g ht h er e s p o n s et o a p a r t i c l e sa n dx r a y t h ep r o p e r t i e so f t h ed i a m o n df i l md e t e c t o rc a nb ec h a r a c t e r i z e d w h e nt h eg r o w nc o n d i t i o n s1 3 口e n u c l e a t i o n t e m p e r a t u r e 7 0 0 g r o w t h t e m p e r a t u r e 8 0 04 c g r o w t hp r e s s u r e 2 5t o r t w ec a na t t a i nd i a m o n df i l mw i t h s m o o t hs u r f a c e r e g u l a r g r a i n s a n dm o s t s l i g h t e s t d e f e c ta t o m sa n d g r a p h i t e a n n e a l i n g a t5 0 0 c a nr e d u c et h ef r e ee n e r g yo ft h ed i a m o n df i l m w h i c hr e s u l t si n t h e s es e q u e n c e s b o n dc h a n g ef r o mc ct oc c t h ee x c l u s i o no f i m p u r i t ya t o m sa n d i n c r e a s eo fr e s i s t a n to fd i a m o n d f i l m o x i d i z i n gw i t hs o l u t i o no f c o n c e n t r a t e dh 2 s 0 4 a n di 1 2 0 2c a r lg e tr i do f g r a p h i t ea n dg r e a t l yr e d u c e st h ed a r kc u r r e n t b e c a u s eo ft h e s u r f a c es t a t e sa n dp o l y c r y s t a ts t r u c t u r eo ft h ef i l m m e t a lc ro ra ug a nf o r mo h m i c c o n t a c tw i t hd i a m o n df i l m t h er e s p o n s e st o op a r t i c l e sa n dt h e x r a y si n d i c a t et 1 1 a t t h ed i a m o n df i l md e t e c t o rh a sg o o d s i g n a l t o n o i s er a t i o h i g he n e r g yr e s o l u t i o na n d q u i c kr e s p o n s et i m e k e y w o r k s m p c v d d i a m o n d f i l m a n n e a l i n g s u r f a c eo x i d i z i n g o h m i cc o n t a c t d e t e c f o r 上海大學碩士學位論文 引言 第一章綜述 在高能物理實驗裝置中應(yīng)用的探測器系統(tǒng)的核心元件一般是固態(tài)點陣探測 器 利用點陣探測器可以很精確地跟蹤帶電粒子的軌跡 歐洲核子研究中心 c e r n 在四個研究低能粒子實驗裝置中采用硅微條和硅點陣探測器 最近計劃 實施的強子對撞機和重離子加速器實驗裝置中會產(chǎn)生很高能量的粒子 如大型強 子對撞機將產(chǎn)生高達1 0 3 4 c m s 的粒子流 每2 5 n s 中1 8 次的質(zhì)子對撞使得探測 器單元最少遭受5 0 0 個帶電粒子的輻射 同時探測器還將遭受被周圍熱量計反射 的反照中子的輻射 在l o 年的運行期內(nèi) 距離大型強子對撞機粒子柬中心1 0 c m 處的探測器每c m 2 將會遭受相當于1 0 個能量為1 m e v 中子的輻射 所以在靠 近粒子作用區(qū)的粒子跟蹤設(shè)備必須有很快的信號輸出能力和很強的抗輻射能力 為避免多重散射 探測器材料必須具有較小的原子序數(shù) 碳具有相對較小的質(zhì)子 數(shù)可以降低多次散射 當輻射量達到1 0 1 4 c m 2 時s i 微條探測器的漏電流上升 而且探測器必須加上很高的偏壓以補償輻射損傷造成的有效摻雜濃度升高的影 響 所以s i 微條探測器難以勝任 l 2 自1 9 9 4 年起歐洲核子研究中心的r d 4 2 研究組開展了化學氣相沉積方法 c v d 制成的金剛石用于帶電粒予追蹤的研究工作 3 研究表明 金剛石探 測器具有很強的抗輻射能力 能夠在極其惡劣的環(huán)境 高溫 強化學腐蝕 下工 作 目前高質(zhì)量的c v d 金剛石已能在實驗室和工業(yè)上實現(xiàn) 4 5 0 0pm 厚度的 金剛石就可阻很好地勝任帶電粒子的追蹤 1 1 金剮石膜探測器的優(yōu)異性能 金剛石能取代硅廣泛應(yīng)用在高能粒子探測和輻射醫(yī)學等方面 這是由于金剛 石膜探測器具有許多優(yōu)良的特性 1 金剛石禁帶寬度為5 5 e v 本征載流子濃度非常低 1 0 3 c m 3 其漏 上海大學碩士學位論文 電流相當?shù)?幾乎可忽略 據(jù)報道在5 0 0 m 厚的金剛石樣品中 其漏電流約 l o o p a l c m 2 采用金剛石制備的探測器在7 0 0 1 0 0 0 c 的溫度下仍能夠安全工作 熱噪聲很小 2 金剛石具有低的原子序數(shù) z 6 降低了在高能物理實驗中的高能級 聯(lián)過程和多重散射 與其它材料相比具有低的輻照損傷 而且金剛石探測器在強 輻照下 噪聲電流不會變化 而s i 會隨輻照劑量的增加而增加 3 金剛石具有高的電子遷移率 18 0 0 c m 2 v s 和空穴遷移率 1 2 0 0 c m 2 v 1 s 其電荷收集時間比s i 快4 倍 所以金剛石探測器具有高的時 間分辨率 4 金剛石常溫下具有極高的電阻率 1 0 q c m 所以可采用極其簡單的 金屬一金剛石一金屬 m d m 結(jié)構(gòu)就能實現(xiàn)金剛石探測器 5 熱導率在所有物質(zhì)中是最高的 2 0 w c m k 是一種室溫下最好的熱導 體 這樣可以保證在高能物理實驗中可以將產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出去 6 與氣體電離室探測器相比 金剛石與氣體的密度比為3 0 0 0 并且產(chǎn)生 一對電荷的能量 1 3 e v 較小 因此金剛石作為輻射計量計具有高的能量分辨 率 7 金剛石的介電系數(shù)為5 7 比目前商業(yè)化s i 材料低得多 1 1 7 這樣 意味者如果采用金剛石制作探測器 其讀出放大器具有較小的輸入電容 因而比 s i 具有更小的噪聲 據(jù)報道金剛石探測器的噪聲電流為n a 數(shù)量級 而s i 探測 器為m a 數(shù)量級 所有這些特性以及金剛石所具有最高的硬度 極好的機械性能 化學穩(wěn)定性 頻率穩(wěn)定性 良好的溫度穩(wěn)定性等優(yōu)異性能一起 使金剛石成為醫(yī)學和輻射學中 一種理想的固體探測器材料 1 2 金剛石膜探測器的研究進展 1 2 1 制備金剛石膜探測器的關(guān)鍵技術(shù) 從目前的研究進展來看 要實現(xiàn)金剛石探測器的廣泛應(yīng)用 還要解決如下兩 上海大學碩士學位論文 個關(guān)鍵問題 1 高度定向厚膜的制備 因為晶界是載流子的阻礙和漏電流的通道 所以現(xiàn)在制各的多晶金剛石膜無 法具有天然單晶金剛石的優(yōu)異性質(zhì) m p c v d 法雖然可以得到高質(zhì)量的定向膜 但是長速度很慢 s kh a n 把m p c v d 法和低壓燃燒法 l p c f 結(jié)合起來實現(xiàn) 高度定向的金剛石厚膜的生長 5 m p c v d 法生長1pm 厚的高度定向的薄膜 后 采用火焰法實現(xiàn)快速同質(zhì)外延生長 由于火焰法的生長速度很快 相鄰的 晶粒合并形成大面積高質(zhì)量的晶粒 生長的金剛石膜表面光滑 無需拋光處理 性能接近天然金剛石 2 金剛石膜和電極材料歐姆電接觸 制作器件進行有效的電極接觸是必需的 一般情況下 金剛石與金屬接觸時 由于存在肖特基勢壘 從而形成肖特基整流接觸 金剛石與金屬形成歐姆接觸是 困難的 原因在于 金剮石有與金屬無關(guān)的勢壘 在金剛石表面層難以重摻 盡管如此 在歐姆接觸方面還是取得了滿意的結(jié)果 文獻 6 中報道了用漸變禁 帶能級 異質(zhì)結(jié) 的概念形成歐姆接觸 即沉積較小能隙的半導體于較大能隙的 半導體之上 采用了s i s i c 金剛石結(jié)構(gòu) 其禁帶能隙分別為11 2 e v a s i c 2 9 e v 5 4 5 e v 該結(jié)構(gòu)是在金剛石襯底上用電子束蒸鍍5 0 n m 的s i 層 在7 0 0 下進行重離子鼬 注入 在 2 0 09 c 氫氣和氮氣的氣氛下退火1 小時 最后得 到的結(jié)構(gòu)就是s i s i c 金剛石 前已述及 這樣將在金剛石表層形成n 型或p 型 電導層 形成導電層后 即可實現(xiàn)歐姆接觸 更常用的歐姆接觸是用t i t a w 等金屬作夾層過渡 再在其上蒸鍍a u 形成 7 還有用a i s i 和t i w n 等合成結(jié) 構(gòu)來形成 8 文獻 7 報道了用b 離子注入 再蒸鍍t i a u 形成歐姆接觸 重劑 量離子注入硼可得到重摻雜硼 再在t i 金屬化并退火過程中形成t i c 的化合 物 呈現(xiàn)出低電阻 物理原因不明 有兩種模型予以解釋 一是碳化物如同缺陷 層降低了金屬一金剛石勢壘高度 二是增強了隧穿 或二者都有 文獻 7 報道 了a l s i t i w n a u 和t i a u 形成歐姆接觸的結(jié)果比較 結(jié)果是a i s i 接觸顯示出 最低的接觸電阻 在1 0 7 q c m 2 數(shù)量級 t i w n a u 接觸是最穩(wěn)定的接觸系統(tǒng) 而t i a u 接觸在內(nèi)擴散中顯示出極不穩(wěn)定性 上海大學碩士學位論文 1 2 2 金剛石膜探測器研究進展 化學氣相沉積 c v d 方法的開發(fā)成功 使制造大面積 低成本的金剛石 產(chǎn)品成為可能 而且這些c v d 金剛石比天然金剛石具有更高的純度 由于金剛 石具有的一些優(yōu)異特性 以及金剛石制造技術(shù)的不斷發(fā)展和完善 特別是在醫(yī)學 和輻射學中的潛在應(yīng)用 引起了人們的極大注意 9 1 3 歐洲核子研究中心 c e r n 資助的有多國專家組成的r d 4 2 研發(fā)小組從1 9 9 4 年起投入巨資研究c v d 金剛石粒子探測器 經(jīng)過幾年的研究取得了一些進展 他們采用c v d 金剛石薄膜獲得了微條狀列陣探測器和象素列陣探測器 并研究 了這些探測器在探測高通量介子 中子 質(zhì)子 t 射線 x 射線和紫外光下的性 能 他們開發(fā)這種c v d 金剛石探測器 其目的就是探索其在大強予對撞機 l h c 上a t l a s 和c m s 實驗系統(tǒng)中的應(yīng)用 c e r n 最近的研究表明 在4 1 0 h 中子 c m 2 6 1 0 介子 c m 2 和1 0 0 m r a d 的電子和光子高通量劑量下 金剛石電學性 能也不會降低 在x 射線探測器方面 b u r g e m e i s t e r 1 4 和h o b a n 1 5 采用天然金 剛石實現(xiàn)了用于醫(yī)學輻射計量的x r a y t r a y 和電子探測器 并研究了其性 能 最近 m a n f r e d o t t i 11 采用c v d 金剛石獲得了x r a y 探測器樣品 綜觀文獻 人們主要在以下幾方面進行了研究 1 對接近m i p s 帶電粒子的響應(yīng) 當一個合適的帶電粒子通過金剛石探測器時 產(chǎn)生的電信號取決于帶電粒子 的能量損失 r d 4 2 研究小組廣泛采用1 0 0 g e v 的介子束對金剛石微條探測器和 象素探測器進行測試 在這樣的能量下 多重散射小 且能量損失也小 其能量 損失正比于總的能量 2 對電子的響應(yīng) 盡管電子的能量損失機理稍不同于重粒子 但具有相對能量32 倍于其質(zhì)量 即幾個m e v 的電子可與m i p 相似的速率損失能量 同時產(chǎn)生離化 這樣的 電子可從p 衰減中獲得 而0 源常規(guī)地被用來測量金剛石樣品的電荷收集距離 加 速器中更高能量的電子和正電子在金剛石中的行為類似于m i p 3 對光子和g a m m a 射線的響應(yīng) 中性的g a m m a 射線與帶電粒子不同 它不會損失能量 也就沒有信號產(chǎn)生 上海大學碩士學位論文 但是當其通過金剛石由于c o m p t o n 散射后產(chǎn)生自由電子 產(chǎn)生電信號 金剛石 對u v 和x r a y 光子的響應(yīng) 許多研究者對其進行了多年的研究 k e d d y 和n a m 1 6 使用金剛石作為探測媒介 并測量了光導 研究發(fā)現(xiàn)對g a m m a 射線的電流響應(yīng) 與入射劑量在5 個數(shù)量級范圍內(nèi)成線性變化 4 對d 粒子和低能質(zhì)子的響應(yīng) q 粒子在金剛石中的滲透距離很短 因而產(chǎn)生的載流子限于表面幾個啪區(qū) 域 響應(yīng)將極不均勻 例如5 5 m e v 的q 粒子只有1 6 m 1 7 k e d d y 和n a m 1 6 采用c v d 金剮石探測能量達到5 5 m e v 的 粒子 研究表明其光電流正比于粒子 束劑量和能量 其探測器主要應(yīng)用于核廢料處理 b e h n k e 等采用低能質(zhì)子束測 量金剛石探測器 5 對重離子的響應(yīng) 金剛石探測器的一個重要的應(yīng)用是用作重離子加速器中的重離子探測部件 以及涉及重離子物理實驗系統(tǒng)的部件 雖然與硅相比 從金剛石獲得的電信號相 對較小 但仍然用于這些系統(tǒng)中 因為在金剛石中 能量損失和探測媒介的離化 正比于電荷的平方 且比m i p 大好多 同時 信號速度和材料的輻射硬度都優(yōu) 于硅探測器 許多研究者在這方面進行了研究 特別是b e r d e r m a n n 1 8 等人研究 金剛石探測器在不同的偏壓下對氖離子的響應(yīng) 他們觀察到當電場達到l v i t m 時 脈沖高度達到飽和 類似于m i p 并且飽和開始時的電場明顯高于m i p 他 們也觀察至 當探測3 0 0 m e v a r n u 1 的p b 離子時 產(chǎn)生的信號可以直接用示波囂觀 察到 6 對中子的響應(yīng) 由于金剛石具有較低的原子序數(shù) 探測中子并不是有效的 但在高中子劑量 區(qū)域可以提供大的輻射硬度和快速響應(yīng) r d 4 2 研究小組對其探測機理進行了研 究 他們認為對于能量低于5 m e v 的中子 探測到的信號歸功于被離化的 且脫 離晶格的原子 熱中予由于能量太小 不能將原子撞離晶格 因而不能獲得信號 上海大學碩士學位論文 1 3c v d 金剛石探測器的機理 性能表征和結(jié)構(gòu) 1 3 1c v d 金剛石探測器機理 帶電粒子或能量大于禁帶寬度的光子通過金剛石時 離化原子或產(chǎn)生電子一 空穴對 載流子在電場的作用下分開 一部分載流子被金剛石中的缺陷和晶界束 縛而引起空間電荷 并極化金剛石晶體 另一部分載流子被電極收集從而形成信 號電流 s 嘞出 掣竺竺一 圖1 1 金剛石探測器工作原理示意圖 1 3 2 探測器的性能表征 人們大多將金剛石的優(yōu)值用電荷收集距離 c h a r g e c o l l e c t i o nd i s t a n c e c c d 來表示 是指產(chǎn)生的電子和空穴在被缺陷束縛以前所分開的平均距離 追求最大 的c c d 是人們研究探測器級c v d 金剛石的主要目標 對于一個m i p 其每通 過1 0 0 1 l m 厚度的金剛石將產(chǎn)生3 6 0 0 個電子一空穴對 1 9 1 所以這樣一個粒子在 通過厚度為 g i n 的金剛石薄片時所產(chǎn)生的平均電荷q g 可以寫成如下形式 q g 3 6 l e 產(chǎn)生的電子和空穴在電場作用下將向兩電極分開 在經(jīng)過一個c c d 后 觀察到的電荷量q c q g x c c d l 式中l(wèi) 為探測器的厚度 所以c c d 可以 寫成 上海大學碩士學位論文 c c d q c 3 6 m 大部分文獻一般將1 v g m 下測得的電荷收集距離為c c d 研究表明 電荷 收集距離與金剛石膜的質(zhì)量有著很大的關(guān)系 如膜中存在的雜質(zhì) 缺陷及晶粒間 界對c c d 影響顯著 理想的探測器希望由單晶金剛石組成 然而大單晶金剛石 很難獲得 大部分探測器采用了多晶c v d 金剛石 研究表明天然i l a 金剛石有 33 r a m 的c c d 而其他天然金剛石的c c d 比它小2 3 個數(shù)量級 然而天然金 剛石具有嚴重的不均勻性 很難找到c c d 有幾m m 的金剛石 c v d 金剛石一般 成柱狀結(jié)構(gòu) 如圖1 2 所以 晶粒尺寸在襯底邊最小 然后沿生長方向逐漸增 大 近似與膜厚成線性關(guān)系 同時 c c d 也隨膜厚線性增加 因此 大部分探 測器都將金剛石的襯底邊去除 近幾年來 由于改善了制造設(shè)備和優(yōu)化了制備工 藝 c v d 金剛石的電荷收集距離有了明顯提高 如圖1 3 所示 1 0 0 u m 圖1 2 c v d 金剛石的微結(jié)構(gòu)示意圖圖1 3c v d 金剛石的c c d 變化狀況 1 3 3 探測器的結(jié)構(gòu)類型 金剛石探測器的結(jié)構(gòu)一般采用m s m 結(jié)構(gòu) 微條狀結(jié)構(gòu)和象素結(jié)構(gòu) m s m 結(jié)構(gòu)為最基本的單元器件 微條列陣探測器 m i c r o s t r i p d e t e c t o r s 金剛石粒子探測器最吸引人的結(jié)構(gòu)是采用微條狀 如圖1 4 所示 其目的 是提高器件的空間分辨率 1 9 9 5 年b o r c h e l t 2 0 等人首次報道了這方面的研究結(jié) 果 他們采用向n o r t o n 公司購買的3 0 0 p m 厚的c v d 金剛石薄片 用c r a u 作為復合電極 采用9 0 s r 源測量了電荷收集距離 在2 0 0 v 電壓下c c d 為5 0 i t m 一 8cb衛(wèi)口to u童h8 上海大學碩士學位論文 1 9 9 9 年r d 4 2 研發(fā)小組報道了最新研究成果 他們采用2 x 4 c m 2 的金剛石薄片 獲得了c c d 為1 4 5 l u n 并采用v a 2 電荷靈敏放大器作為讀出電路 2 1 o 象素列陣探測器 p i x e ld e t e c t o r s 微條探測器不能給出條狀方向上徑跡的位置 只能測量單個坐標 而象素探 測器能同時給出徑跡的兩維坐標 特別是在l h c 實驗中 帶電粒子的徑遜非常 復雜 很可能多個徑跡相互重疊在一起 避免這種情況產(chǎn)生最佳的方法是采用象 素探測器 1 9 9 7 年r d 4 2 研發(fā)小組首次報道了1 6 x 1 6 的金剛石象索探測器 如 圖1 5 每個象素與v a 3 讀出芯片連接 2 2 1 贏c n 丞燧霪4 0 0 0 a 蠢蠶鏊掣蘩蒸霪 嗚 村o p m t o a um e m l l i z a 咖 7 聃 二蘭 圖1 4 微條列陣探測器結(jié)構(gòu) 圖1 5 象素列陣探測器結(jié)構(gòu) 1 4 課題研究內(nèi)容和意義 鑒于上述所闡述的c v d 金剛石膜在輻射探測器上的應(yīng)用潛力和國內(nèi)對金剛 石膜探測器研究的空白 以及提高探測器性能的關(guān)鍵是獲得高質(zhì)量的金剛石薄膜 和良好的金剛石一金屬間的歐姆接觸 本文的工作是 優(yōu)化金剛石薄膜的生長工藝 研究退火和表面氧化處理對金剛石質(zhì)量的改善 上海大學碩士學位論文 研究金屬和金剛石薄膜的電接觸特性 測量單元c v d 金剛石膜探測器高能粒子的能譜響應(yīng)和時間響應(yīng) 探討 探測器結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系 c v d 金剛石輻射探測器的研制成功 有望在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用 1 高能物理實驗裝置中的應(yīng)用 金剛石探測器的當前最廣泛的應(yīng)用是用作重離子加速器中的重離子探測部 件 以及涉及重離子物理實驗系統(tǒng)的部件 將來幾年國家自然科學基金將大力資 助粒子物理和核物理領(lǐng)域的科研人員在大型國際合作設(shè)備上開展的物理研究 例 如在歐洲大強子對撞機 l h c 上的a t l a s 和c m s 實驗組等的國際合作 然 而 在l h c 上的物理實驗將處理更高通量的高能粒子 傳統(tǒng)采用的硅探測器已 不能滿足要求 因此 c v d 金剛石粒子探測器的研究成功 有望滿足高能物理 實驗裝置的要求 2 在空間帶電粒子測量的應(yīng)用 測量空間帶電粒子是航空航天 軍事和物理學一個重要的課題 美國和歐洲 等發(fā)達國家投入大量的資金建設(shè)太空站 提高追蹤帶電粒子的核心元件的壽命對 降低空間站運行和維修成本有重要意義 g e 探測器或h g l 2 探測器都不具備很強 的抗輻射能力 金剛石的原子半徑很小 降低了與帶電粒子作用時的級連散射和 多重散射 具有很強的抗輻射能力 同時金剛石膜探測器在強輻射條件下噪聲也 很小 所以金剛石膜探測器在空間帶電粒子測量的應(yīng)用也稱為科學家們研究的熱 點 3 地震預報的應(yīng)用 俄羅斯科學家們發(fā)現(xiàn) 在地震發(fā)生的前兩天 地殼深處的中子輻射量突然增 加 2 3 2 4 但由于地殼深處溫度通常在3 0 0 c 以上 硅探測器在如此高溫下會由 于材料內(nèi)部的雜質(zhì)原子的電離而失效 金剛石探測器為簡單的m d m 結(jié)構(gòu) 可在 高溫下安全工作 同時金剛石探測器具備良好的抗化學腐蝕和抗輻射能力 有望 在探測中子 預報地震方面獲得廣泛的應(yīng)用 4 在輻射醫(yī)學中的應(yīng)用 研究輻射對人體組織的損傷是醫(yī)學領(lǐng)域的重要課題 金剛石的吸收特性與人 體軟組織 z 2 74 2 非常相似 被認為是人體軟組織的等價物 同時由于金剛石 上海大學碩士學位論文 的原子序數(shù)很小 具有很強的抗輻射能力 所以金剛石膜探測器在輻射醫(yī)學上的 應(yīng)用也是當前國外學者研究的熱點 5 核技術(shù)中的應(yīng)用 在核技術(shù)的許多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi) 人們希望有一種核輻射探測器在室溫環(huán)境條件 下 對y 射線的測量或監(jiān)測既具有較高的探測效率 又有較好的能量分辨 而目 前用于y 射線探測器和y 射線能譜分析的核輻射t 粲v q 器 相對地說 s i 探測器的探 測效率太低 g e 探測器雖有合適的探測效率和好的能量分辨 但它必須在7 7 k 的低溫下工作 n a t 1 閃爍探測器必須與光電倍增管一起使用 效率雖高 但能 量分辨較差 為此 人們致力于獲得能量分辨比n a t 1 9 1 爍探測器好 能在室溫 環(huán)境下工作探測器 金剛石由于其禁帶寬度大 5 5 e v 有望實現(xiàn)室溫下工作的 輻射探j(luò) 9 1 i 器 參考文獻 1 l a sc o l l a b o r a t i o n i n n e rd e t e c t o rt e c h n i c a ld e s i g nr e p o r t c e r n l h c c t d r 4 3 0 a p r i l1 9 9 7 2 c m sc o l l a b o r a t i o n t r a c k e rt e c h n i c a ld e s i g nr e p o r t c e r n l h c c9 8 6 1 5a p r i l1 9 9 8 9 7 一 6 a t l a s c m st d r5 3 t h er d 4 2c o l l a b o r a t i o n 馕 dp r o p o s a l d e v e l o p m e n to f d i a m o n d t r a c k i n g d e t e c t o r s y o rh i g hl u m i n o s i t ye x p e r i m e n t sa tt h el h c d r d c p 5 6 c e r n i d r d c9 4 2 1 m a y1 9 9 4 1 4 s t g o b a i n n o r t o nd i a m o n df i l m g o d d a r dr o a d n o r t h b o r o m a015 3 2 u s ad eb e e r s i n d u s t r i a ld i a m o n dd i v i s i o n b t d c h a r t e r s s u n n i n g h i l l a s c o t b e r k s h i r e s l 59 p x e n g l a n d 5 s k h a r t d i a m o n d a n d r e l a t e d m a t e r i a l s 9 2 0 0 0 1 0 0 8 1 0 1 2 6 fa n g c ah e w e t t m c f e m a n d e se ta 1 i e e et r a n se d 3 6 9 9 8 9 17 8 3 7 v e n k a t e s a n kd a s i e e ee l e c t r o nd e v i c el e f t 1 3 2 1 9 9 2 1 2 6 8 8 m w e m e r o d o r s c h hvb a r e w i d e ta l i e e et r a n se d 4 2 7 1 9 9 5 1 3 4 4 9 t i e s b e h n k e e ta 1 n uc 1l n s f f m a t h i np h y s r e s a 4 1 4 1 9 9 8 3 4 0 1 0 cj a n g e ia l n u c i n s t r m e t hi np h y s r e sa 3 8 0 r 1 9 9 6 1 0 7 1 1 1 c m a n f r e d o t t i e ta 1 n u c l 1 n s t r m e t h i np h y s r e s a 4 l o 1 9 9 8 9 6 1 2 pw e i l h a m m e r e ta l n u c l i n s t r m a t hi np h y sr e s a 4 0 9 1 9 9 8 2 6 4 13 e b o r c h i e ta l n u c li n s t rm e t h i np h y s r e sa 4 0 9 1 9 9 8 2 4 0 1 4 1e a b r u g e m e i s t a r p h y s m e d b i 0 1 2 6 1 9 8 1 2 6 9 15 p wh o b a n e la l p h y sm e db i 0 1 n 3 9 1 9 9 4 1 1 2 1 9 1 6 r j k e d d ya n d 丁l n a m r a d i a t p h y sc h e m 4 1 f 1 9 9 3 7 6 7 7 3 1 7 eks o u wa n drj m e i l u n a s n u e ll n s t r m e t hi np h y s r e sa 4 0 0 r 1 9 9 7 6 9 8 6 1 8 eb e r d e r m a n n e la 1 3 6 i n t w i n t e r m e e t i n go n n u c l e a r p h y s i c s b o r m i o t a l v 1 9 9 8 一1 0 上海大學碩士學位論文 1 9 r j t a p p e hr e p p r o g p h y s 6 3 2 0 0 0 1 2 7 3 2 0 fb o r c h e l t e ta 1 n u c l i n s t r m e t h i np h y sr e s a3 5 4 9 9 5 3 8 2 r d 4 2 9 9 8d e v e l o p m e n to fd i a m o n dt r a c k i n gd e l e c t o r sf o rh i g hl u m i n o s i t ye x p e r i m e n t sa t t h el h cl d r bs t a t u sp e p o r t r d 4 2 c e r nl h c c9 8 2 0 2 2 r d 4 2 19 9 7d e v e l o p m e n to fd i a m o n dt r a c k i n gd e t e c t o r sf o rh i g hl u m i n o s i t ye x p e r i m e n t sa t t h el h cl d r bs t m u sr e p o r t r d 4 2 c e r nl h c c 9 7 3 2 3 y u e m a g d a s s a r o w n u c l e a r e n g i n e e r i n ga n d d e s i g n 1 7 3 1 9 9 7 2 3 9 2 4 6 2 4 b b e l i n t y a l e i n o u r n a fo f e n v i r o n m e n t a lr a d i a c t i v i t y 6 3 2 0 0 2 2 3 9 2 4 9 圭塑查蘭塑主蘭竺絲壅 第二章探測器級金剛石薄膜的制各 本章研究了m p c v d 微波等離子體化學氣相沉積法 生長金剛石薄膜的實 驗過程和實驗條件 提出一種分析金剛石薄膜組成的新方法并安排一組正交實 驗 通過對光學性質(zhì)的測試和分析得到實驗條件對金剛石薄膜組成和光學性質(zhì)的 影響 以優(yōu)化探測器級金剛石薄膜的生長工藝 2 1 工藝過程和生長參數(shù) 1 基片的選擇和預處理預處理 基片的選擇 合適的基片是生長基片的前提條件 它必須滿足兩個條件 熔點在生長溫度以上 熱膨脹系數(shù)和金網(wǎng)0 石相匹配 因為一般生長金剛石薄 膜時的溫度在7 0 0 以上 在此高溫下襯底材料發(fā)生熱脹 當冷卻到室溫時襯底 材料和金剛石薄膜都收縮 如果兩者熱膨脹系數(shù)不匹配將在界面處產(chǎn)生很大的熱 應(yīng)力 造成薄膜的剝落 為增加金剛石薄膜和襯底的黏附力 還要求襯底材料在 一定程度上生成一層碳化物 硅除了上條件外價格低廉 容易獲取 具有和金剛 石相同的晶體結(jié)構(gòu) 是較好的生長金剮石薄膜的襯底材料 實驗選用的襯底是 方向n 型單晶硅 電阻率在4 7q c m 基片的處理 在1 0 的氫氟酸溶液中超聲清洗1 5 分鐘 以除去硅片表 面的s i 0 2 層和表面的灰塵和其它可溶性物質(zhì) 如必要還可以用丙酮來清除表面 的有機物質(zhì) 在金剛砂和丙酮的混合液中超聲清洗1 5 分鐘 用金剛砂研磨的 目的有二 提高硅片表面的粗糙度 粗糙的表面更利于成核 殘留的金剛砂在成 核過程中充當成核中心 利于成核并提高成核密度 2 等離子體刻蝕 對硅片用氫等離子體在7 0 0 下刻蝕4 5 分鐘 用于 清洗在把硅片預處理后放入石英沉積室過程中硅片所受的污染 同時通過一定時 間的刻蝕 可以使硅原子裸露出來 為后面反應(yīng)提供有利的條件 3 硅片表面滲碳期 在高溫條件下 c 原子和s i 原子反應(yīng)生成碳化硅 s i c 在9 0 0 9 3 0 溫度下通過l 小時的滲碳作用 可以在硅片表面形成1 0 3 0 原子層厚的碳化硅層 碳化硅層的作用有 引入過渡層 減小s i 原子結(jié)構(gòu)和c 原子結(jié)構(gòu)的晶格失配 達到減少因晶 格失配引起的界面應(yīng)力 碳化硅層其實也是一個漸變的過渡層 在表面上c 原子懸掛鍵較多 可以 降低成核勢壘 提高成核密度 4 成核期 根據(jù)晶體動力學理論 為c 原子從氣相中沉積到襯底表面 上海大學碩士學位論文 成核條件應(yīng)當為過飽和狀態(tài) 即高碳低溫 所以在成核期的甲烷濃度很高 甲烷 和氫氣的比例為5 襯底溫度也較低 7 8 0 c 根據(jù)均勻成核理論 成核期 總的吉布斯自由能改變量 g g s g v 4 c r 2 y n 一4 3 n r3 9 公式中y 表示單位表面自由能 譬表示單位體積自由能 得到臨界半徑 r 一2 7 g 當成核的半徑小于臨界半徑時 系統(tǒng)的自由能大于零 所以微小的晶核是不 穩(wěn)定的 很可能又變?yōu)闅庀?所以經(jīng)常對基片進行預處理 使發(fā)生非均勻成核 比如對基片進行研磨 或是在金剛砂的溶液中進行超聲清洗 可以很大程度上提 高成核密度 對基片進行研磨可以降低g s 而殘留的金剛砂顆粒可以作為成核中 心 增大g v 所以兩種方法都可以使系統(tǒng)總的吉布斯自由能降低 即降低了成 核勢壘 促進金剛石的成核 成核過程中重要的生長參數(shù)是成核溫度 成核壓強 成核時間和甲烷氫氣比率 5 金剛石薄膜的生長 這個過程是c 原子被基片吸附和在基片上遷移并 選擇適合位置沉積的過程 在微波作用下c h 鍵被打斷 c 原子被基片吸附 由于c 原子具有一定的動能 它會在基片上遷移并與其它c 原予碰撞結(jié)合 所 以基片的溫度對金剛石薄膜的質(zhì)量有很大的影響 同時c 源的濃度 物理吸附 以及微波等離子的體積與壓強相關(guān) 所以壓強也是 個重要的因素 另外 h 原 子一方面能與c 原子復合成甲烷 另一方面h 原子對金剛石薄膜中石墨相具有 較強的刻蝕作用 所以氫氣和甲烷的比例和氣體的流速對金剛石薄膜的質(zhì)量有很 大的影響 2 2 表征方法和實驗安排 2 2 1 橢圓偏振光譜議 s e 的測試原理和特點 橢偏測量技術(shù)是通過測量入射光被樣品反射 或透射 后偏振狀態(tài)的變化來 研究被測量物質(zhì)的方法 可以測定物質(zhì)的光學常數(shù) 多層薄膜結(jié)構(gòu)中的各層膜的 厚度 表面和界面的粗糙度和材料微結(jié)構(gòu) 1 入射光經(jīng)樣品反射后 光束極化狀態(tài)的變化可以用相對反射系數(shù)來描述 p t a nv l e x p i z x 公式中哳 4 是橢偏參數(shù) 通過改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL或入射角得到n 阻橢偏參數(shù) 矽 4 運用回歸分析法不斷調(diào)整模型的未知參數(shù) 如膜厚 光學常數(shù)等 使 得測量的偏壓參數(shù) 7 和計算的橢偏參數(shù)嘩 相符 2 當均方誤差m s e 上海大學碩士學位論文 m s e 甲j v 2 一 2 的值最小 我們認為未知參數(shù)比較接近正確值 電鏡和r b s 在測量時可能改變被測樣品的表面狀態(tài) a u g e r 等表面分析技術(shù) 需要真空環(huán)境 比較而言 橢偏測量技術(shù) s e 具有如下特性 非破壞性 非苛 刻性 高靈敏度和高精確度 同時可以給出光學常數(shù)n 值和k 值 3 實驗所用橢圓偏振光譜議的型號 n s i r s e i 測試波長范圍 2 o 1 2 5u m 分辨率 8 e r a 1 0um 2 2 2 消光系數(shù)k 和金剛石薄膜的組成 通常采用紅外吸收光譜儀 i r f t 來研究金剛石薄膜的紅外吸收特性 通過對 照紅外光譜吸收峰值對應(yīng)的鍵型得出金剛石薄膜的組成 但是金剛石薄膜是生長 在s i 襯底上的 s i 襯底對紅外光有很強的吸收 所以如果采用紅外吸收光譜分 析必須把金剛石薄膜從硅片上剝離 通常金剛石薄膜生長的速度很慢 生長一片 金剛石薄膜得3 0 小時以上 所以這樣做無論是從經(jīng)濟上 還是從試驗上考慮不 合理 從公式 口 4 7 r k a 公式中口是吸收系數(shù) k 是消光系數(shù) 五是波長 可以看出 k 同樣可以用 來分析材料的組成 如果在某個 處存在吸收峰 則在該 處k 值也有相應(yīng)的吸 收峰 同時由于k 值是微觀物理量 所以會使分析結(jié)果更靈敏 更為重要的是 通過消光系數(shù)來分析金n f j n 薄膜的組成時不必把薄膜從硅襯底剝離掉 極大地方 便了對實驗結(jié)果的評價 2 2 3 實驗安排一正交試驗 在生產(chǎn)實踐和科學實踐中 為了改革舊工藝或試驗新產(chǎn)品 經(jīng)常要做許多因 素試驗 如何安排多因素試驗 是一個值得研究的問題 試驗安排得好 既可減 少試驗次數(shù) 縮短時間和避免盲目性 又能得到滿意的結(jié)果 試驗安排不好 試 驗次數(shù)多 結(jié)果還不滿意 正交試驗設(shè)計法 又稱正交試驗法 正交法 就是 研究與處理多因素試驗的一種科學方法 它在實際經(jīng)驗和理論認識的基礎(chǔ)上 通 過一套預先設(shè)計好的 正交表 來安排試驗 借助正交表可用選出具有代表性的 試驗 以較少的試驗次數(shù)所取得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析 而得到滿意的結(jié)果 4 上海大學頌士學位論文 正交表是預期編制好的一種規(guī)格化的表格 常用的正交表有l(wèi) 4 2 3 l 8 2 7 l 9 3 4 l 2 5 5 6 等 現(xiàn)以l 4 2 3 說明符號中字母l 和個數(shù)字的意義 l 表示正 交的意思 4 表示正交表中的橫行數(shù) 它說明要做4 次試驗 3 表示正交表 的縱列數(shù) 它說明利用該表最多可用安排3 個因素的試驗 2 表示每列有2 個不同的字碼 1 2 3 說明在試驗中每個因素具有3 個水平 表21m p c v d 法生長金剛石薄膜的典型條件 m p c v d 法生長過程中對金剛石薄膜光學性質(zhì)有影響的工藝參數(shù)很多 但是 最重要的是成核溫度 生長溫度和生長壓強 而且這些參數(shù)近似相互獨立 所以 根據(jù)文獻報道和實驗經(jīng)驗 選擇成核溫度 生長溫度和生長壓強作為研究的主要 參數(shù) 設(shè)計了三個參數(shù) 兩種水平的l 23 正交表格實驗 其它實驗參數(shù)選用實 驗中通用數(shù)據(jù) 見表2 1 表2 1 是常用的m p c v d 法的工藝參數(shù)值 其中變量 表示本文要考查的參數(shù) 表2 2 表示 23 正交表格實驗中各個樣品的實驗參數(shù) 表2 2 正交實驗組條件 2 3 實驗結(jié)果和討論 2 3 1 影響金剛石薄膜組成和形貌的因素 圖2 1 是消光系數(shù)隨波長的變化曲線 圖2 2 圖2 3 圖2 4 圖2 5 分別表 示了樣品1 樣品2 樣品3 樣品4 放大倍數(shù)為1 0 0 0 倍的光學顯微鏡圖片 光 學顯微鏡的的型號為b x 6 0 放大倍數(shù)范圍 5 0 1 0 0 0 倍 上海大學碩士學位論文 w a v e l e n g t h u m 圖2 1 生長條件對金剛石薄膜消光系數(shù)的影響 圖2z 樣品l 圖2 3 樣品2 圖2 5 樣品4 我們以表2 3 為例來分析生長條件對金剛石薄膜質(zhì)量的影響 在表中 一cm u一 ou co oc一 o 上海大學碩士學位論文 k f k r 分別以c h 鍵 c c 鍵和c o 鍵對應(yīng)消光系數(shù)的最高值來表示 晶 形好壞通過放大倍數(shù)為1 0 0 0 倍的光學顯微鏡圖像來比較 極差是兩利 水平之和 差值的絕對值 菜參數(shù)引起的某項性能的極差越大 l 蛻明它對此性能的影響越大 反之則越小 在表中極差最大的參數(shù)已用下劃線標出 表2 3 正交實驗分析表 實驗計劃實驗因素 實驗結(jié)果 水平 實驗號 7 0 0 c 成核時 k c h 之和 7 5 0 0 c 成核時 七c h 之和 極差r 7 5 0 c 時生長 k c c 之和 8 0 0 0 c 時生長 k f c 之和 極差r 2 2 5 t 0 生長時 k c d 之和 3 0 t o r r 生長時 k c 之和 成核 溫c 度生長 溫c 度生長t o 等強t 一 t t 差 h 一 o o l 2 7 自 7 0 08 0 02 510 9 1 i e 4 33 4 4 7 e 417 7 3 4 e 4 好 7 5 08 0 0 3 00 6 3