CN106012003B - Cvd单晶金刚石的二维扩大方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及单晶金刚石材料的制造方法。一种CVD单晶金刚石的二维扩大方法，其特征在于包括如下步骤：a.选将单晶金刚石籽晶置于中心开有孔的衬底托之内，使得单晶金刚石籽晶暴露；衬底托由金属钼做成；b. 将带有单晶金刚石籽晶的衬底托放入沉积室；对沉积室抽真空；c. 通过微波等离子体化学气相沉积法产生等离子体：向沉积室通入氢气和甲烷，调节气体流量、微波功率和气压，沉积室内部气体吸收微波能量激发产生等离子体；从使得单晶金刚石能够在顶部表面和四个侧面同时生长，实现单晶金刚石的二维扩大；d.剥离，即可获得大尺寸的单晶金刚石。该方法涉及的是利用微波等离子体化学气相沉积法在单晶金刚石衬底上二维生长单晶金刚石，从而扩大单晶金刚石的尺寸。

Description

CVD单晶金刚石的二维扩大方法
技术领域
本发明涉及单晶金刚石材料的制造方法，特别地，本发明涉及的是一种单晶金刚石的二维扩大方法。
背景技术
金刚石具有禁带宽(5.45ev)、击穿场强高(1.0×107V/cm)、载流子迁移率高(电子2.7×107cm/s，空穴1.0×107cm/s)、介电常数高(5.7)和导热性能好(22W/cm·k，是铜的四倍)等优异的半导体性能，同时兼具稳定的化学性能、高硬度、耐磨性和抗辐射能力强等特点，具有非常广泛的用途。大尺寸的CVD(Chemical-Vapor-Deposition:化学气相沉积)单晶金刚石特别适合制造可以在更高的温度和恶劣的环境下工作的高性能电力电子器件，是一种有发展前途的高温、大功率宽禁带半导体材料，远非GaAs、GaN和SiC可比拟，被誉为第四代半导体的首选材料。在非金刚石衬底上进行异质外延生长，理论上能够获得大尺寸的金刚石单晶，但是多年来未能取得突破性进展，而HTHP(高温高压)单晶金刚石的尺寸和晶体纯度受到限制，这严重地制约了金刚石基半导体的应用和发展。当前国内外，面对大尺寸单晶金刚石难以获得的局面，都把宽禁带高温半导体研究的主流放在了性能较低的SiC而非性能更强大的金刚石，这是因为大尺寸SiC单晶生长比金刚石单晶更容易，而且方便与现存的半导体硅技术兼容。但是迄今为止，金刚石基高温半导体的研究并未停顿，生长大尺寸的CVD单晶金刚石是当前最重要的一个问题。
CVD同质外延单晶金刚石的研究经过多年的发展，取得了较大成果，但是目前CVD金刚石单晶尺寸仅能满足芯片级高温半导体器件的研制需求，而晶圆级的CVD金刚石单晶尺寸仍然保持挑战。为此，很多学者都在积极的进行CVD单晶金刚石的扩大工作。从众多研究报道看，扩大CVD金刚石单晶尺寸的方法主要有两种，一种是马赛克拼接生长技术，另一种是通过翻转晶体，在衬底的顶面和侧面进行重复生长的三维扩大技术。这两种方法在单晶金刚石尺寸扩大方面取得了积极成果，但是要想应用于半导体领域仍然都存在一些问题。严格意义上讲，马赛克拼接技术制备的金刚石并非完美的单晶，因为拼接生长之处是晶界，且晶界出现生长缺陷和杂质的几率高。通过翻转晶体，在顶面和侧面进行重复生长的三维扩大技术非常复杂，实际操作过程尤为繁琐，且扩大效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种CVD单晶金刚石的二维扩大方法，以克服现有技术存在的不足。该方法涉及的是利用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)在单晶金刚石衬底上二维生长单晶金刚石，从而扩大单晶金刚石的尺寸。
本发明提供的技术方案是：一种CVD单晶金刚石的二维扩大方法，其特征在于包括如下步骤：
a.选择一个具有平整生长表面的单晶金刚石籽晶，其形状需是规则的方形，厚度至少是1mm；将单晶金刚石籽晶置于中心开有孔的衬底托之内，使得单晶金刚石籽晶暴露，单晶金刚石籽晶上表面与衬底托表面有一定的高度差(高度差为0.4～1mm)；衬底托由高熔点和高导热率的金属钼做成；
b.将带有单晶金刚石籽晶的衬底托放入沉积室；对沉积室抽真空(至真空度为0-10Pa)；
c.通过微波等离子体化学气相沉积法产生等离子体：向沉积室通入氢气和甲烷，调节气体(氢气和甲烷)流量、微波功率和气压，沉积室内部气体吸收微波能量激发产生等离子体；
原料气体甲烷体积比为(CH4/H2)5～8％，沉积室内气压为18～20kPa，沉积温度为1000～1100℃；如步骤a所描述的，通过调节单晶金刚石籽晶上表面与衬底托的高度，使得等离子体在顶部表面和四个侧面有着相同的状态，从而使得单晶金刚石能够在顶部表面和四个侧面同时生长，实现单晶金刚石的二维扩大；
d.二维扩大生长完成后，使用激光将扩大后的那一部分单晶金刚石生长层从衬底上剥离下来，即可获得大尺寸的单晶金刚石。
氢气流量为：300sccm，甲烷流量为：15-24sccm，微波功率为800-1200W，沉积室内气压为18～20kPa。
原料气体氢气和甲烷的纯度均大于99.999％(体积)。氢气和甲烷的体积配比为20:1-25:2。
方形单晶金刚石籽晶，其用于二维生长的顶部表面和四个侧面基本上都是{100}面。
籽晶放入中心开有孔的金属钼托中后，调节籽晶上表面与衬底托表面之间的高度在0.4～1mm，产生二维生长所需的等离子体状态。
重复步骤a～c可进一步扩大单晶金刚石的尺寸。
本发明的有益效果是：一种CVD单晶金刚石的扩大方法，是采用微波等离子体化学气相沉积法，即首先利用微波能量激励沉积室内的工作气体放电产生等离子体，再利用微波等离子体化学气相沉积法在单晶金刚石籽晶的顶部表面和四个侧面同时同质外延生长单晶金刚石，进而二维的扩大单晶金刚石的尺寸。
附图说明
所含附图提供了对本发明的进一步理解并构成本发明的一部分。
图1是本发明中籽晶放置状态和生长过程中的等离子体状态示意图。
图2是本发明中单晶金刚石的二维扩大方法具体实施技术路线图。
图3是本发明生长单晶金刚石的装置的示意图。
图3中：1-沉积室，2-衬底托，3-单晶金刚石籽晶，4-石英玻璃管，5-压缩矩形波导，6-微波等离子体，7-进气口，8-抽气口。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
如图3所示，本发明下述实施例中所采用的生长单晶金刚石的装置，包括沉积室、衬底托、微波发生器；沉积室1由上金属法兰、下金属法兰与压缩矩形波导5相连，压缩矩形波导5与微波发生器相连；沉积室1上设有进气口和抽气口；衬底托的中心开有孔(或凹槽)。
沉积室1包括石英玻璃管、上金属法兰、下金属法兰(构成腔室)，上金属法兰位于石英玻璃管的上端，上金属法兰与石英玻璃管之间设有橡胶密封圈，下金属法兰位于石英玻璃管的下端，下金属法兰与石英玻璃管之间设有橡胶密封圈，衬底托位于石英玻璃管内。
本发明是一种利用微波等离子体化学气相沉积法来二维扩大单晶金刚石的尺寸，该方法是：选择具有一定厚度的单晶金刚石籽晶，其顶部表面和四个侧面基本都是{100}面。接着将单晶金刚石籽晶放置于钼衬底托中，使得籽晶暴露，籽晶上表面与衬底托表面高度约0.4～1mm；在此种放置状态下，籽晶的顶部表面与四个侧面具有相同的等离子体环境，能够实现单晶金刚石的顶部表面和四个侧面同时生长，从而二维扩大单晶金刚石；生长完成后，使用激光将扩大的那一部分单晶金刚石从衬底上剥离下来，即可获得大尺寸的单晶金刚石。
具体实施步骤如下(参见图1、图2)：一种CVD单晶金刚石的二维扩大方法，包括如下步骤：
a.选择一个具有平整生长表面的单晶金刚石籽晶，其形状需是规则的方形，厚度至少是1mm；将单晶金刚石籽晶置于中心开有孔的衬底托(图1中的钼衬底托)之内，使得单晶金刚石籽晶暴露，单晶金刚石籽晶上表面与衬底托表面有一定的高度差(高度差为0.4～1mm)；衬底托由高熔点和高导热率的金属钼做成；
b.将带有单晶金刚石籽晶的衬底托放入沉积室；对沉积室抽真空(至真空度为0-10Pa)；
c.通过微波等离子体化学气相沉积法产生等离子体：向沉积室通入氢气和甲烷，调节气体(氢气和甲烷)流量、微波功率和气压，沉积室内部气体吸收微波能量激发产生等离子体；
原料气体甲烷体积比为(CH4/H2)5～8％，氢气流量为：300sccm，甲烷流量为：15-24sccm，微波功率为800-1200W，沉积室内气压为18～20kPa，沉积温度为1000～1100℃；如步骤a所描述的，通过调节单晶金刚石籽晶上表面与衬底托的高度，使得等离子体在顶部表面和四个侧面有着相同的状态，从使得单晶金刚石能够在顶部表面和四个侧面同时生长，实现单晶金刚石的二维扩大；
原料气体氢气和甲烷的纯度均大于99.999％(体积)，氢气和甲烷的体积配比为20:1-25:2；
d.二维扩大生长完成后，使用激光将扩大后的那一部分单晶金刚石生长层从衬底上剥离下来，即可获得大尺寸的单晶金刚石。

Claims (6)

1.一种CVD单晶金刚石的二维扩大方法，其特征在于包括如下步骤：
a.选择一个具有平整生长表面的单晶金刚石籽晶，厚度至少是1mm；将单晶金刚石籽晶置于中心开有孔的衬底托之内，使得单晶金刚石籽晶暴露，单晶金刚石籽晶上表面与衬底托表面有一定的高度差；衬底托由金属钼做成；
b.将带有单晶金刚石籽晶的衬底托放入沉积室；对沉积室抽真空；
c.通过微波等离子体化学气相沉积法产生等离子体：向沉积室通入氢气和甲烷，调节气体流量、微波功率和气压，沉积室内部气体吸收微波能量激发产生等离子体；
如步骤a所描述的，通过调节单晶金刚石籽晶上表面与衬底托的高度，使得等离子体在顶部表面和四个侧面有着相同的状态，从而使得单晶金刚石能够在顶部表面和四个侧面同时生长，实现单晶金刚石的二维扩大；
d.二维扩大生长完成后，使用激光将扩大后的那一部分单晶金刚石生长层从衬底上剥离下来，即可获得大尺寸的单晶金刚石。
2.根据权利要求1所述的一种CVD单晶金刚石的二维扩大方法，其特征在于：步骤b中，单晶金刚石籽晶上表面与衬底托表面的高度差为0.4～1mm。
3.根据权利要求1所述的一种CVD单晶金刚石的二维扩大方法，其特征在于：步骤b中，抽真空至真空度为0-10Pa。
4.根据权利要求1所述的一种CVD单晶金刚石的二维扩大方法，其特征在于：步骤c中，氢气流量为：300sccm，甲烷流量为：15-24sccm，微波功率为800-1200W，沉积室内气压为18～20kPa。
5.根据权利要求1所述的一种CVD单晶金刚石的二维扩大方法，其特征在于：步骤c中，气体氢气和甲烷的纯度为体积比均大于99.999％；甲烷和氢气的体积比为5～8％。
6.根据权利要求1所述的一种CVD单晶金刚石的二维扩大方法，其特征在于：步骤a中，单晶金刚石籽晶的形状是规则的方形。
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