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引言
為了獲得高的重力系數(shù)，在沒(méi)有特殊制造工藝的情況下，引入了刮擦和旋涂播種方法的組合，通過(guò)使用所提出的方法，可以在二氧化硅襯底上均勻地生長(zhǎng)金剛石膜，并且膜對(duì)襯底的粘附力在最大值時(shí)增加到900牛頓/平方米。為了提高表面導(dǎo)電性，分別引入了表面氧終止和退火弛豫氫缺陷。通過(guò)這種氧化處理的傳感器顯示出溫度特性的更好的均勻性。作為高溫用壓力傳感器，人們正在研究開(kāi)發(fā)基于金剛石薄膜的壓力傳感器。金剛石的化學(xué)穩(wěn)定性高，是寬帶隙半導(dǎo)體，因此作為傳感器是很有魅力的材料。 但是，使用單晶金剛石的壓力傳感器雖然具有非常高的靈敏度、1000左右的計(jì)量系數(shù)（以下稱GF）。
在本研究中，為了進(jìn)行電氣絕緣，采用了在堆積氧化膜的硅隔膜上形成金剛石的方法，因此進(jìn)行了探討，使用結(jié)晶尺寸為100 nm的單晶金剛石粉末，金剛石粉末液的濃度為0.25 g/l。
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圖1
在損傷處理中，在金剛石溶液中進(jìn)行U.S.處理20 min后，使其結(jié)晶生長(zhǎng)，成長(zhǎng)后的SEM像如圖1(a)所示。僅通過(guò)損傷處理無(wú)法得到均勻的成膜,這是因?yàn)?/span>100 nm的金剛石粉末無(wú)法獲得足夠的核密度,旋涂播種法是將濃度為0.25 g/l的金剛石粉末溶液滴入基板后，以旋轉(zhuǎn)速度2100 rpm進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂布,涂敷后使金剛石生長(zhǎng)2μm的情況如圖1(b)所示,從該圖可以看出，利用旋涂播種法，基板中心、周邊均基本均勻生長(zhǎng)，并且得到了充分的核密度。
在旋涂播種法中，氧化膜上只附著了金剛石粉末，與底層的附著力并不牢固。 因此，通過(guò)并用損傷處理和旋涂種子，嘗試改善了基板和金剛石薄膜的附著力。首先，進(jìn)行與損傷處理相同的U.S.處理，之后，在溶液附著的狀態(tài)下，在與旋涂同樣的條件下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)均勻涂抹金剛石粉末，進(jìn)行溶劑的干燥，通過(guò)該處理生長(zhǎng)的基板表面的SEM圖像如圖1(c)所示。 可知，與僅使用旋涂播種法的情況相同，成膜均勻。
測(cè)量了金剛石薄膜和基板的附著力，將金剛石成膜的基板固定在基座上，并且在基板表面用環(huán)氧粘合劑固定直徑3mm的金屬棒，連接金屬棒和彈簧秤，降低臺(tái)座，施加負(fù)荷，測(cè)量金剛石剝離時(shí)的負(fù)荷。
圖2顯示的是使粒徑及濃度發(fā)生變化時(shí)對(duì)損傷處理時(shí)間的附著力的變化,如果只做了旋涂播種，使用旋涂片時(shí)為73.6 N/cm2，同時(shí)使用旋涂片時(shí)為130 N/cm2，由此可知，同時(shí)使用損傷處理時(shí)，與旋涂片單體相比，附著力得到了提高。 另外，為了進(jìn)一步提高附著力，還嘗試了增大超聲波振動(dòng)輸出。其結(jié)果是，在粒徑為100 nm、濃度為1.0 g/l的金剛石溶液中進(jìn)行60 min的損傷處理后，附著力增加到了900 N/cm2。
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圖2
為了觀察基板/金剛石界面，通過(guò)蝕刻除去了金剛石成膜的Si/SiO2基板。 金剛石界面的SEM圖像如圖3所示。 可以看出，通過(guò)U.S.處理的金剛石粉末與基板的碰撞使界面粗糙化。 這被認(rèn)為表明由損傷處理形成的生長(zhǎng)核的錨定效應(yīng)增加了粘附力。 因此，隨著損傷處理中金剛石粉末的濃度、損傷處理時(shí)間的增高，附著力也隨之增加。
根據(jù)這些結(jié)果，在壓力傳感器的制作中，應(yīng)用了能夠獲得均一的膜質(zhì)和高附著力的損傷處理和旋涂種子并用的方法。在通過(guò)MPCVD形成金剛石膜的過(guò)程中，將B2H6作為p型摻雜劑氣體混合。在傳感器的制作中，將B2H6濃度設(shè)定為1.0×104 ppm，可以得到結(jié)晶性良好的薄膜。
制作的應(yīng)變壓力傳感器的形狀如圖6所示，膜片的大小為3.0×6.0 mm，表面折回配置有粗細(xì)為100μm的應(yīng)變電阻體，膜片的膜厚取決于雜質(zhì)深度，這里設(shè)為15μm。 首先，對(duì)清洗后的n型Si進(jìn)行熱氧化。 僅除去表面氧化膜，作為用于形成隔膜的Si濕法蝕刻的蝕刻停止，在1200℃、氮?dú)夥罩?，以三溴化硼為摻雜劑源，使硼熱擴(kuò)散，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)熱氧化進(jìn)行氧化膜厚度為1.5μm的生長(zhǎng)，旋涂使金剛石粉末附著在SiO2表面，MPCVD使金剛石生長(zhǎng)，用電子束蒸鍍Al進(jìn)行雙面圖案化，使用RIE進(jìn)行O2等離子蝕刻，此外，通過(guò)使用APW的各向異性蝕刻，在Si基板上形成隔膜完成。之后，濺射Ti/Pt，通過(guò)剝離形成歐姆電極。
對(duì)于器件用的基板尺寸為15 mm×15 mm，為了擴(kuò)大等離子體使基板整體均勻生長(zhǎng)，將壓力成膜條件9 kPa減少到8 kPa，由于該壓力降低導(dǎo)致等離子體密度降低，因此與未摻雜的等離子體相比，使生長(zhǎng)時(shí)間變長(zhǎng)。
在進(jìn)行氫缺陷結(jié)構(gòu)緩和及氧終端時(shí)，為了明確哪一個(gè)具有支配性，評(píng)價(jià)了通過(guò)熱混酸處理只進(jìn)行氧終端處理的傳感器的特性，進(jìn)行1小時(shí)的熱混酸處理（H2SO4:HNO3=3:1，200°C），充分終止氧的傳感器的特性。 與氧終端及氫缺陷結(jié)構(gòu)緩和后的值相比，顯示出更大的值，為了解決這樣的問(wèn)題，即金剛石在成膜后以蝕刻石墨為目的進(jìn)行氫終止處理，但是僅通過(guò)該處理，石墨的蝕刻是不充分的，并且石墨存在于晶界中。 因此，可以認(rèn)為，由于通過(guò)熱混酸處理對(duì)金剛石晶界的石墨進(jìn)行了蝕刻，GF值較大。 另外，在0.2 MPa以上的情況下，―R/R的變化有飽和的傾向。 可以認(rèn)為，這是因?yàn)榫Ы绲碾娮柚蹈哂诮饎偸瘍?nèi)部的電阻值，施加較大的壓力后，晶界的幾何學(xué)電阻效果比金剛石內(nèi)部的電阻變化更具有支配性。
溫度特性
圖12顯示的是進(jìn)行2個(gè)氧終端處理后的溫度特性，進(jìn)行了熱混酸處理的物質(zhì)與在大氣中500℃下進(jìn)行退火的物質(zhì)相比，在400K下GF的降低也較少，可以認(rèn)為，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)熱混酸處理進(jìn)行了石墨蝕刻，在高溫區(qū)域中不存在通過(guò)石墨的電流路徑，因此維持了高值。
? ? ? 通過(guò)同時(shí)使用劃痕處理和旋涂種子法，在SiO2襯底上形成的金剛石薄膜獲得了均勻的膜厚和與基底的良好粘附性，制作的壓力傳感器在as grown的氫終止的傳感器中GF低至29，但在大氣中500°C下退火的傳感器為168，進(jìn)一步進(jìn)行熱混酸處理的傳感器增大至285。 可以認(rèn)為這是由于熱混酸處理的石墨蝕刻造成的。 而且，溫度特性也得到了改善。