專利名稱：無籽晶無偏壓金剛石準(zhǔn)單晶膜的沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種用于材料與器件的金剛石準(zhǔn)單晶膜的沉積方法。
金剛石膜具有優(yōu)異的光電特性，是理想的半導(dǎo)體材料，可制備成耐高溫、抗輻射和大功率的特種半導(dǎo)體光電器件。為制備金剛石膜半導(dǎo)體器件，首先要解決制備表面光潔度高缺陷很少的金剛石膜(尤其是單晶膜或準(zhǔn)單晶膜)。制備金剛石膜，目前采用化學(xué)汽相沉積方法(簡稱CVD法)。
金剛石膜的形核是獲得高質(zhì)量金剛石膜最重要的一步，然而至今人們并不十分清楚低壓氣相生長機理，同時對于硅等襯底表面的形核機制了解甚少，尤其是實驗發(fā)現(xiàn)光滑表面的硅等襯底上，金剛石的形核密度很低，難以形成連續(xù)的薄膜材料。這主要是由于金剛石與硅等襯底之間存在著很大的晶格失配率和表面能差。因此，人們越來越重視金剛石膜的形核研究，一般都是在硅等襯底上沉積金剛石之前，需要在硅等襯底表面進行損傷預(yù)處理。國際上把形核的預(yù)處理方法分為二類(1)宏觀缺陷成核法。就是通過機械研磨、超聲清洗、化學(xué)腐蝕等手段在硅等襯底表面制造宏觀缺陷，以促進金剛石在缺陷處成核。例如，襯底表面一般都是經(jīng)過0.5-1μ金剛石微粉的研磨，目的是在其表面形成有利于薄膜生長的籽晶。(2)偏壓成核法。即對襯底施行偏壓條件下的等離子體轟擊處理以增強金剛石成核。
研究表明在襯底表面預(yù)先制備一層過度層，使其成為金剛石形核區(qū)。因此，在生長金剛石膜之前，在硅等襯底表面預(yù)先沉積一層非晶態(tài)碳過度層不失為提高形核密度的一種不損傷襯底表面的簡易形核方法。非晶態(tài)碳提供了金剛石的形核點，即在金剛石形核和準(zhǔn)單晶生長中起著關(guān)鍵的作用。
本發(fā)明目的就是克服宏觀缺陷成核法對于襯底表面的損傷處理同時也簡化了偏壓成核法的工藝，利用燈絲CVD法得到低成本、平整光滑結(jié)晶性好的<100>金剛石準(zhǔn)單晶膜。這種金剛石膜可以用來制備各種金剛石膜半導(dǎo)體材料和器件，這些器件將廣泛用于耐高溫、抗輻射和高功率等特殊場合。
本發(fā)明的主要特點是利用化學(xué)輸送的觀點論述了非平衡條件下的金剛石形成機理，認(rèn)為是原子氫刻蝕石墨而使金剛石擇優(yōu)生長，因此采用非晶態(tài)碳沉積與金剛石形核和擇優(yōu)生長兩個階段。
本發(fā)明的另一個特點是利用高百分比碳、低燈絲溫度和低襯底溫度以形成非晶態(tài)碳沉積。這種方法可以在硅襯底上局部外延生長金剛石準(zhǔn)單品膜，這種金剛石膜的電學(xué)性能大大優(yōu)于一般的多晶CVD金剛石膜的電學(xué)性能。更主要的是優(yōu)于那些在襯底表面進行損傷預(yù)處理，而對于生長膜的晶體結(jié)構(gòu)如晶粒晶形、膜表面形態(tài)有較大影響金剛石膜沉積方法，那將直接影響其在器件上的應(yīng)用。
實施是在熱絲CVD法系統(tǒng)中進行，襯底為硅(100)以及鉭(Ta)和鎳(Ni)片。襯底位于燈絲下方8mm，燈絲為φ0.8mm的鉭絲，反應(yīng)氣體為甲烷或丙酮與氫氣的混合物。
金剛石膜的生長過程分兩個階段進行首先是預(yù)形核過程即非晶態(tài)碳形成階段；甲烷或丙酮的濃度高達2-8vol％，燈絲溫度為1500-1800℃，襯底溫度為500-700℃，沉積時間為5-30分鐘。
然后為金剛石膜的形核和生長階段；燈絲溫度調(diào)至1800-2200℃，襯底溫度調(diào)至750-900℃，甲烷或丙酮的濃度調(diào)至1vol％左右，沉積時間為兩個小時以上。
經(jīng)Raman光譜證實兩個階段后的樣品有金剛石膜存在，經(jīng)X射線衍射和掃描電鏡證實金剛石膜為<100>擇優(yōu)取向的準(zhǔn)單晶。
經(jīng)Raman光譜和X射線衍射證實第一階段后的樣品為非晶態(tài)碳。
通過以上說明在硅等襯底上首先形成非晶態(tài)碳過度層的方法，能實現(xiàn)金剛石準(zhǔn)單晶膜的形核和生長，而無需宏觀缺陷成核法和偏壓成核法。
權(quán)利要求
1.無籽晶無偏壓金剛石準(zhǔn)單晶膜的沉積方法，本發(fā)明的特征是在沉積金剛石膜時不使用籽晶和不采用偏壓的形核方法，同時也不采用任何機械研磨損壞襯底表面的處理，而是在光滑平面(包括鏡面)的硅等襯底上直接形核并生長金剛石準(zhǔn)單晶膜的方法。
2.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是在預(yù)形核期間，甲烷或丙酮的濃度高達2-8vol％，燈絲溫度為1500-1800℃，襯底溫度為500-700℃，沉積時間為5-30分鐘。
全文摘要
無籽晶無偏壓金剛石準(zhǔn)單晶膜的沉積方法，它屬于一種用于半導(dǎo)體材料與器件的金剛石準(zhǔn)單晶膜的沉積方法。在以氫氣和甲烷或丙酮為反應(yīng)氣體，用燈絲CVD法在金剛石襯底上進行金剛石膜沉積過程中，不是采用宏觀缺陷成核法和偏壓成核法，而是首先采用在襯底表面預(yù)先制備非晶態(tài)碳過度層的工藝，然后再進行形核和生長工藝。結(jié)果得到平整光滑、結(jié)晶度好的<100>取向金剛石準(zhǔn)單晶膜。
文檔編號C23C16/27GK1477240SQ0214171
公開日2004年2月25日 申請日期2002年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月21日
發(fā)明者常明, 曲長慶, 朱寧, 寧延一, 吳小國, 楊保和, 陳希明, 常 明 申請人:天津理工學(xué)院