CN1047408C - 一种激光化学气相沉积金刚石膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光化学气相沉积金刚石膜的方法，最低沉积温度为250℃，其特征在于选用波长在308nm的XeCl准分子激光作激光源，过程如下：将欲沉积衬底放在高导热率材料的工作台上，用XeCl准分子激光辐照衬底欲沉积金刚石膜区，并在预抽真空的反应室中通入能吸收该激光波长的碳氢化合物反应气(含汽化液体或固体)和氢气，碳氢化合物反应气与氢气的流量比为(1～3)∶100，在适当工艺条件下，在衬底表面沉积出金刚石膜，工艺条件是：XeCl激光单脉冲能量20～500mj/pules；XeCl激光脉宽15～40ns；脉冲频率5～40Hz。本发明所制膜层纯度高，沉积温度低，易于实现，安全可靠。
Description
本发明涉及人工制造金刚石膜领域，尤其适用于低温(指＜400℃)金刚石膜制备。
金刚石膜有多方面的优良性能，如：极高的硬度和耐磨性，极高的热导率，从紫外到红外光波长范围内良好的光透性，大禁带宽度，高电子、空穴迁移率，极好的化学稳定性，耐高温，抗辐射等，在机、电、光、声等方面都有应用或展示了重要的应用前景。激光化学气相沉积是一种新的金刚石膜制造方法，在降低制备温度、获得高纯度金刚石膜或实现予期的掺杂、提高沉积速率、获得予定的选区沉积等方面显示了独特的优点和巨大潜力。日本公开特许公报(A)昭61-221371，平3-166369，曾公开了一种用ArF(波长193nm)激光制备金刚石膜的方法，文献GeorgeW.et.al Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.162(1990),P173也报导了用KrF激光得到金刚石膜的方法，但，ArF和KrF激光较难获得，激光器所用HF气体有剧烈的腐蚀性，对激光器腔体、管路会带来腐蚀及低寿命，除给操作者带来很大不便外，还增加了不利健康甚致危险的因素，激光器的运行成本也较高。此外得到的金刚石膜普遍存在质量不高的缺点，用易得的单独红外激光化学气相沉积出金刚石膜也曾见报道，但报导的最低沉积温度是650℃，而金刚石膜的许多应用，如在半导体、超大规模集成电路、某些光学元件上，衬底不能经受＞400℃的高温。还有一部分已有技术，是用激光和其它方法复合制备金刚石膜的，如激光与微波、电子轰击等，这类方法增加了技术上的复杂性，并涉及其它技术领域。
本发明的目的在于提供一种激光化学气相沉积生产金刚石膜的方法，其膜层纯度高、沉积温度低、易于实现、安全可靠。
本发明提供了一种激光化学气相沉积金刚石膜的方法，最低沉积温度为250℃，其特征在于选用波长在308nm的XeCl准分子激光作激光源，过程如下：
将欲沉积衬底放在高导热率材料的工作台上，用XeCl准分子激光辐照衬底欲沉积金刚石膜区，并在预抽真空的反应室中通入能吸收该激光波长的碳氢化合物反应气(含汽化液体或固体)和氢气，碳氢化合物反应气与氢气的流量比为(1～3)∶100，在适当工艺条件下，在衬底表面沉积出金刚石膜，工艺条件是：
XeCl激光单脉冲能量20～500mj/pules
XeCl激光脉宽 15～40ns
脉冲频率 5～40Hz
本发明的主要优点在于：
①可以在相对较低的温度下(250℃)得到金刚石膜；
②可得到高纯度金刚石膜；
③利于实现预期的掺杂；
④可方便获得预定的选区沉积，包括得到设定的扫描图像、切断电路点、修改集成电路线路等；
⑤具有高沉积速率。
本发明在采用XeCl激光辐照的同时，还可复合辐照红外激光，波长范围在1.06μm～10.6μm。当红外激光为CO2激光时，激光功率密度在30～100Wcm-2。
XeCl激光与红外激光复合的优点是：
①扩大反应气选择范围；
②比用单纯红外激光可降低沉积温度；
③使XeCl紫外激光沉积金刚石膜易于实现。
实现本发明的装置如图1,2，特点是：
(1)XeCl激光由XeCl准分子激光源输出，有激光器控制系统和激光束聚焦或发散系统控制激光功率密度、单脉冲能量、脉冲频率和辐照时间等参数。
(2)红外激光由CO2、YAG或其它红外激光器输出，有激光器控制系统和激光束处理装置控制光束形状、激光功率密度和辐照时间。
(3)有反应气系统按所需比例混合反应气及氢气，控制并显示其流量。如反应物常温下为液态或固态时，有加热及汽化装置。
(4)测温系统测定衬底温度。
(5)真空系统予抽反应室至所需真空度，当反应气采用动态工艺时，也由此装置与输入反应气及窗口保护气保持所需箱压的平衡。
(6)测压系统控制并显示反应室压力。
(7)辅加气保护激光窗口透镜不被反应生成物污染。
(8)通过工作台的运动或光束的运动实现激光束在试件(或工件)上的扫描，以获得所需金刚石沉积区的部位、轨迹及面积。
下面给出本发明的实施例。
附图1单纯XeCl激光化学气相沉积设备示意图。
附图2XeCl与红外复合激光化学气相沉积设备示意图。
实施例1
①XeCl激光参数：
激光能量：450mj/pules
脉宽： 36ns
辐照面积：6mm2
脉冲频率：30Hz②反应气种类：C16H22O4(汽化)+H2③反应气配比：C16H22O4∶H2=3∶100④衬底：Si⑤沉积时间：5h在上述工艺条件下在Si上得到金刚石。实施例2①XeCl激光参数：
单脉冲能量：250mj/pules
脉宽：36ns
辐照面积：8mm2
脉冲频率：20Hz②红外激光种类：CO2激光
红外激光参数：
波长：10.6μm
功率：100W
辐照面积：150mm2③反应气种类：C2H4+H2④反应气配比：C2H4∶H2=2∶100⑤衬底：Si⑥θ角(参看图2):30°⑦沉积时间：3h在上述工艺条件下，在表面温度为340℃的Si片上得到高纯金刚石膜。实施例3①XeCl激光参数：
单脉冲能量：400mj/pules
脉宽：20ns
辐照面积：20mm2
脉冲频率：15Hz②红外激光：
种 类：CO2激光
波 长：10.6μm
功 率：50W
辐照面积：175mm2
脉冲频率：20Hz③反应气种类：C2H4+H2④反应气配比：C2H4∶H2=1.5∶100⑤衬底：SiC⑥θ角：45°⑦沉积时间：2h实施例4①XeCl激光参数：
单脉冲能量：50mj/pules
脉 宽：36ns
辐照面积：0.5mm2
脉冲频率：10Hz②红外激光种类：YAG
波 长：1.06μm
单脉冲能量：5mj/pules
脉 宽：1ns
脉冲频率：20Hz
辐照面积：150mm2③反应气种类：CH4+H2
预配比：CH4∶H2=3∶100④θ角：50°
在上述工艺条件下沉积成为高纯金刚石膜，通过工作台运动，在衬底表面可得到金刚石膜图形分布。
Claims (1)
1．一种激光化学气相沉积金刚石膜的方法，最低沉积温度为250℃，其特征在于选用波长在308nm的XeCl准分子激光作激光源，过程如下：
将欲沉积衬底放在高导热率材料的工作台上，用XeCl准分子激光辐照衬底欲沉积金刚石膜区，并在预抽真空的反应室中通入能吸收该激光波长的碳氢化合物反应气(含汽化液体或固体)和氢气，碳氢化合物反应气与氢气的流量比为(1～3)∶100，在适当工艺条件下，在衬底表面沉积出金刚石膜，工艺条件是：
XeCl激光单脉冲能量 20～500mj/pules
XeCl激光脉宽 15～40ns
脉冲频率 5～40Hz。
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