專利名稱：硅襯底上適于鍵合技術(shù)的金剛石膜制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積的金剛石膜的制備方法，特別涉及用作具有高可靠性能的集成電路芯片材料的硅襯底上適于鍵合技術(shù)的金剛石膜制備方法。
適合鍵合技術(shù)的金剛石膜要求硅襯底上的金剛石膜的面積大，比如要直徑4英寸的金剛石膜，要求金剛石生長(zhǎng)有很高的均勻性，并且不會(huì)引起硅片襯底的明顯變形，只有這樣，才能保證以后鍵合的成功率和集成電路芯片材料的有效性，即最終能用于制作高可靠性能的集成電路。
與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術(shù)是載于《DIAMOND AND RELATEDMATERIALS》(荷蘭，96年第5期P251～255)上的一篇文章，題目為“2英寸硅襯底上沉積異質(zhì)外延的金剛石膜”。其制備金剛石膜的方法是微波等離子體化學(xué)氣相沉積的方法。過程主要分為成核和生長(zhǎng)金剛石膜兩步驟。其特點(diǎn)是在成核和生長(zhǎng)過程中甲烷CH4的濃度較高(0.4～0.5％)，氣體壓力高(20mbar)在成核階段對(duì)硅襯底施加負(fù)偏置電壓?，F(xiàn)有技術(shù)的不足之處在于，第一，在較高氣體壓力下等離子體球比較穩(wěn)定集中，因而襯底上溫度也較大，金剛石膜生長(zhǎng)區(qū)域小，不能制備大面積的金剛石膜，而且造成在2英寸范圍內(nèi)均勻性也差，是不能用來實(shí)現(xiàn)鍵合的。第二，在沉積金剛石膜過程中通常會(huì)使膜內(nèi)產(chǎn)生張應(yīng)力。特別是大面積金剛石膜的生長(zhǎng)，這種張應(yīng)力的存在造成硅片邊緣翹曲，也不能用來實(shí)現(xiàn)鍵合?，F(xiàn)有技術(shù)也沒能解決金剛石膜的張應(yīng)力問題。
本發(fā)明的目的在于，不增大微波功率的條件下，通過對(duì)硅襯底的前處理、選擇反應(yīng)氣體成分比例、襯底溫度、壓力等一系列參數(shù)；通過后處理消除應(yīng)力的方法，制備出大面積、均勻生長(zhǎng)、低應(yīng)力的適于鍵合技術(shù)的金剛石膜。
本發(fā)明通過對(duì)硅襯底的處理—表面均勻劃痕以及低CH4濃度、低壓力和擴(kuò)大穩(wěn)定的等離子體范圍實(shí)現(xiàn)金剛石膜大面積均勻生長(zhǎng)的，通過后處理對(duì)硅襯底施加負(fù)偏置電壓消除張應(yīng)力，從而達(dá)到本發(fā)明的目的的。
本發(fā)明的工藝仍采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積的方法，以CH4和H2為原料氣體，分為前處理—形成等離子體球—調(diào)整壓力—生長(zhǎng)金剛石膜—后處理等幾個(gè)過程，在硅襯底上生成金剛石膜。
所說的前處理，是對(duì)硅襯底的表面進(jìn)行研磨，以形成均勻劃痕，提高金剛石膜的成核密度。具體做法是將納米級(jí)金剛石粉溶于乙醇中，將硅襯底表面向上放入溶液中超聲振蕩1.5小時(shí)以上，清洗后放人微波反應(yīng)室內(nèi)。
所說的形成等離子體球，是將微波反應(yīng)室抽真空至10-2mbar以下，充入氫氣至氣壓為20mbar，加熱襯底至400～500℃，開啟微波功率至650～750W。硅襯底表面將形成等離子體球。這里的硅襯底溫度不能低于400℃，否則很難將等離子體球引到襯底表面。
所說的調(diào)整壓力，是在等離子體球在硅襯底表面形成并穩(wěn)定后，通入CH4氣體，按順序調(diào)整CH4/H2為0.3～0.5％，微波功率至1000～1200W，氣體壓力至13～17mbar范圍，同時(shí)保持襯硅襯底溫度750±20℃。至此，等離子體球均均覆蓋在硅襯底表面。注意此步驟的各項(xiàng)參數(shù)和調(diào)節(jié)順序控制嚴(yán)格，否則會(huì)造成等離子體球在硅襯底表面消失，或不能合成出高質(zhì)量的金剛石膜。特別是CH4和H2的比例，如果過高將造成氣壓在18～25mbar左右時(shí)等離子體球消失，或生長(zhǎng)的金剛石膜內(nèi)含較高的石墨或非晶碳成份。所以最好將CH4/H2控制在0.30～0.38％范圍。
所說的生長(zhǎng)金剛石，是保持硅襯底溫度、CH4/H2、微波功率不變，氣體壓力為5～7mbar，使金剛石膜大約以0.1μm/h速度均勻沉積于大于4英寸的硅襯底上。沉積時(shí)間依據(jù)需要的金剛石膜的厚度決定。
所說的后處理主要是為了消除大面積金剛石膜的張應(yīng)力設(shè)計(jì)的。金剛石膜生長(zhǎng)結(jié)束，關(guān)閉CH4氣體，將H2調(diào)至400～500Sccm，壓力增至8～12mbar，微波功率降至800～900W，硅襯底溫度升至780±10℃，并在硅襯底上施加-60～-120V的直流偏置電壓1.5～3小時(shí)，最后關(guān)閉負(fù)偏置電壓，降低微波功率；調(diào)整加熱功率，使硅襯底溫度在700±20℃時(shí)維持20-30分鐘，關(guān)閉微波源，再降低加熱功率，在H2氣氛中，使金剛石膜逐漸冷至常溫。
這里的負(fù)偏置電壓的作用是使H+被加速到金剛石膜表面并轟擊表面，將有效地消除張應(yīng)力，使膜內(nèi)應(yīng)力接近于零。若偏置電壓高于-60V則對(duì)張應(yīng)力的改變很小，而低于-120V將使膜內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，也十分有害。因此，該偏置電壓最好控制在-80～-100V范圍。在后處理過程中，也可以同時(shí)關(guān)掉CH4和H2，充入400～500Sccm的N2氣或Ar氣，在N2或Ar氣氛使金剛石膜最后冷卻到常溫，其余條件與H2處理相同，消除張應(yīng)力的效果和金剛石膜的質(zhì)量將更好。
在前處理過程中，納米級(jí)金剛石粉的粒度應(yīng)小于100nm，溶于乙醇的濃度為(50±5)g/l，并超聲振蕩均勻懸浮。
實(shí)施例1，前處理的比較好的過程是將5克50nm的金剛石粉溶于100ml乙醇溶液中，在功率為100W的超聲波儀器中振蕩1小時(shí)，使納米級(jí)金剛石粉均勻懸浮于乙醇濃液中。將4英寸的Si片放入溶液中再超聲處理2小時(shí)。
實(shí)施例2，將由實(shí)施例1處理的Si片經(jīng)形成等離子體球和調(diào)節(jié)壓力過程，生長(zhǎng)金剛石膜。形成等離子體球時(shí)先抽真空至10-2mbar，再充入200Sccm的H2，保持氣壓在20mbar，加熱襯底至500℃，開啟微波功率700W，則有等離子體球形成。經(jīng)調(diào)整壓力過程，CH4/H2＝0.35％，氣體壓力5～7mbar，襯底溫底740℃，微波功率1200W，生長(zhǎng)時(shí)間約20小時(shí)，得膜厚約為2μm的直徑4英寸大面積金剛石膜，并測(cè)得其張應(yīng)力為0.3～0.5Gpa，硅襯底邊緣向上翹曲。應(yīng)力測(cè)量是用Dekta3儀器測(cè)硅襯底彎曲程度，通過計(jì)算得到的。
實(shí)施例3，將經(jīng)實(shí)施例1前處理的硅襯底，再經(jīng)實(shí)施例2的形成等離子體球、調(diào)節(jié)壓力、生長(zhǎng)金剛石膜的過程后，關(guān)閉CH4，將H2調(diào)至500Sccm，壓力增至10mbar，在襯底上加-90V的偏置電壓2小時(shí)。關(guān)閉偏置電壓，維持硅襯底溫度700℃ 30分鐘，直至關(guān)閉微波源，緩慢降低壓加熱功率，最后冷卻直常溫。張應(yīng)力非常小，適于鍵合要求。
實(shí)施例4，將經(jīng)實(shí)施例1前處理的硅襯底，再經(jīng)實(shí)施例2的形成等離子體球、調(diào)節(jié)壓力、生長(zhǎng)金剛石膜的過程后，關(guān)閉CH4和H2，抽出微波反應(yīng)室內(nèi)的CH4、H2，充N2氣體，在硅襯底上施加-80V偏置電壓條件下進(jìn)行后處理，結(jié)果金剛石膜張應(yīng)力幾乎為零，完全適合于鍵合要求。
本發(fā)明的金剛石膜的制備方法，是在較低微波功率的性況下制備出適于鍵合技術(shù)的Si襯底上的金剛石膜。由于在低濃度CH4和低壓力條件下生長(zhǎng)金剛石膜，由于經(jīng)過研磨的前處理過程，由于調(diào)整了各項(xiàng)參數(shù)，形成了穩(wěn)定等離子體球，因此生成了大面積均勻的金剛石膜。由于有后處理過程，即在H2或N2、Ar氣氛下，加負(fù)偏置電壓后H+離子對(duì)硅襯底的轟擊，以及加熱和緩慢降溫，而消除了金剛石膜的張應(yīng)力，使其邊緣也不翹曲，達(dá)到鍵合技術(shù)的要求。本發(fā)明的方法制備出的金剛石膜為保證鍵合的成功率及具有高可靠性能的集成電路芯片材料的有效性，并最終用于制作高可靠的集成電路，奠定了基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種硅襯底上適于鍵合技術(shù)的金剛石膜的制備工藝，采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積的方法，以CH4和H2為原料氣體，在Si襯底上生長(zhǎng)金剛石膜，其特征在于，工藝過程分為襯底表面前處理—形成等離子體球—調(diào)整壓力一生長(zhǎng)金剛石膜—后處理；所說的前處理，是對(duì)襯底的表面進(jìn)行研磨，具體做法是將納米級(jí)金剛石粉溶于乙醇中，將硅襯底表面向上放人溶液中超聲振蕩1.5小時(shí)以上，清洗后放入微波反應(yīng)室內(nèi)；所說的形成等子體球，將微波反應(yīng)室抽空至10-2mbar以下，充入氫氣至氣壓為20-25mbar，加熱硅襯底至400-500℃，開啟微波功率至650-750W；所說的調(diào)整壓力，當(dāng)硅襯底表面形成等離子體球時(shí)，通入CH4氣體，按順序調(diào)整CH4/H2為0.3-0.5％；微波功率至1000-1200W，氣壓至13～17mbar，同時(shí)保持硅襯底溫度750±20℃；所說的生長(zhǎng)金剛石膜，是保持硅襯底溫度、CH4/H2、微波功率不變，氣體壓力為5～7mbar，金剛石膜將生長(zhǎng)于硅襯底上；所說的后處理，是金剛石膜生長(zhǎng)結(jié)束，關(guān)閉CH4氣體，將H2調(diào)至400～500sccm，壓力增至8～12mbar。微波功率降至800-900W，硅襯底溫底升至780±20℃，并在硅襯底上施加-60～-120V的直流偏置電壓1.5～3小時(shí)；最后關(guān)閉偏量電壓，降低微波功率，使硅襯底溫度維持在700±20℃ 20～30分鐘，關(guān)閉微波源，再降低加熱功率，在H2氣氛中使金剛石膜冷至常溫。
2.按照權(quán)利要求1所述的硅襯底上適于鍵合技術(shù)的金剛石膜的制備工藝，其特征在于，所說的前處理中的納米級(jí)金剛石粉的粒度小于100nm，溶于乙醇的濃度為(50±5)克/1，并超聲振蕩，使納米級(jí)金剛石粉均勻懸浮于乙醇濃液中。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的硅襯底上適于鍵合技術(shù)的金剛石膜的制備工藝，其特征在于，所說的后處理中，關(guān)閉CH4同時(shí)，也關(guān)閉H2，再用400～500Sccm的N2或Ar氣；最后在N2或Ar氣氛中使金剛石膜冷至常溫；施加-80～-100V的直流偏量電壓。
全文摘要
本發(fā)明的硅襯底上適于鍵合技術(shù)的金剛石膜的制備工藝,包括前處理—形成等離子體球—調(diào)整壓力—生長(zhǎng)金剛石膜—后處理的過程。將硅片表面在金剛石納米粉溶液中磨研;之后在H
文檔編號(hào)C23C16/02GK1272557SQ9912757
公開日2000年11月8日 申請(qǐng)日期1999年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月30日
發(fā)明者顧長(zhǎng)志, 金曾孫 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)