CN1096548A

CN1096548A - 金刚石单晶薄膜的制造方法

Info

Publication number: CN1096548A
Application number: CN 93112459
Authority: CN
Inventors: 张志明; 李胜华; 蔡琪玉; 闵乃本
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 1993-06-17
Filing date: 1993-06-17
Publication date: 1994-12-21

Abstract

金刚石单晶薄膜的制造方法，它属于一种用于半导体材料与器件的金刚石单晶薄膜制造方法。在以氢气和丙酮为反应气体，用微波等离子体CVD或热丝CVD在<111>取向的金刚石衬底上进行同质外延过程中，采用在反应气体中添加适量氧气和惰性气体，同时对衬底进行研磨处理的工艺，结果能得到平整光滑的，结晶完整性好的<111>取向同质外延金刚石单晶薄膜。

Description

本发明属于一种用于半导体材料与器件的金刚石单晶薄膜制造方法。

金刚石具有优异的微电子特性，是潜在理想的半导体材料，可制成快速，耐高温，抗辐射和大功率的特种半导体器件。为制备金刚石半导体器件，首先要解决制备缺陷很少的金刚石单晶薄膜。如文献：Y.Sato，I.Yashina，H.Fujita，T.Ando and M.Kano，Proc.2nd Intern.Conf.on New Diamond Science and Technology，Eds.R.Messier and J.T.Class（Nater.Res.Soc.，Pittsburgh，PA1991）P371;A.R.Badzian;T.Badzian and L.Pilinne，Refractnry Watals and Hard Waterials，June 1990，92;金曾孙等，“人工晶体学报”19（2）1990，133和方莉俐等，“人工晶体学报”21（2）1992，184中所报道那样，目前采用化学气相沉积方法（以下简称为CVD法）已能制备出在<100>取向的金刚石衬底上同质外延金刚石单晶薄膜，但在<111>取向金刚石衬底上的同质外延金刚石单晶薄膜的制备上有很大的难度，这是因为<111>面是原子尺度的光滑面（奇异面），其成核势垒很高，外延层容易多晶化，因此一般在<111>取向金刚石衬底上只能得到金刚石多晶薄膜。

本发明目的就是克服在制备<111>取向同质外延金刚石单晶薄膜的难点，以氢气和丙酮为反应气体，用微波等离子体CVD法或热丝CDV法来得到平整光滑的，结晶完整性好的<111>取向单晶外延层。这种金刚石薄膜可用来制备特种金刚石半导体材料和器件，这些器件将广泛用于抗辐射，耐高温和高功率等特殊场合。

本发明主要特点是在反应气体中添加适量氧气和惰性气体。添加适量的氧气可以促进二维成核和外延，其用量为0.1-1vol%，如其用量低于0.1vol%，则不利于二维成核，过量的氧气将使外延速率大幅度降低。添加惰性气体可以加强二维扩散来防止寄生核生成，惰性气体种类有氩气，氦气等，其用量为1-10vol%，如其用量低于1vol%，则容易生成寄生核。如高于10vol%，则对晶体结构完整性产生不良影响。

本发明另一个特点是对衬底进行研磨处理，使衬底实际取向偏离<111>一个很小角度，这个角度一般为1°30′±30′。经过这样处理后，可以降低成核势垒，形成邻位面生长条件。

采用本发明的制造方法可以得到平整光滑的，结晶完整性好的<111>取向单晶外延层。

下面是本发明的实施例和比较例：

实施例一：微波等离子体CVD法同质外延

<111>取向的金刚石衬底经研磨抛光后，测定其偏角为1°30′再经清洁处理后置于反应室，开启真空泵，使反应室的剩余压力低于5Pa。输入反应气体氢气，丙酮，氧气和氩气，其中丙酮的浓度为0.7vol%，氧气的浓度为0.2vol%，氩气的浓度为1vol%。总流量为100SCCM，在1KPa或以下的低气压下开启微波源，功率约300W，使反应室均匀放电产生等离子体，接着调整反应室压力至希望值（一般为2.5-6KPa），保持放电6小时，得到厚约2μm外延层，劳厄和反射高能电子衍射确认为单晶结构。

实施例二：热丝CVD法同质外延

<111>取向的金刚石衬底处理同实施例一，处理后置于反应室，开动真空泵，使反应室的剩余压力低于5Pa，输入一定量的氢气，外加热使反应室的温度至650℃左右，然后送入反应气体氢气，丙酮的氧气，丙酮和氧气，其中丙酮的浓度为0.6vol%，氧气的浓度为0.2vol%。总流量为300SCCM，调整气压至10-15KPa，加热钨丝至2200℃左右，并使衬底温度为750-800℃左右，保持4小时，得到厚约0.6μm的外延单晶层。

比较例：

衬底采用<111>取向天然金刚石，采用微波等离子体CVD法或热丝CVD法，在天然解理面上进行外延，反应气体为氢气和丙酮，丙酮浓度和其他实施条件与上述实施例相同，结果在衬底上只得到多晶沉积物（多晶金刚石薄膜）。

Claims

1、金刚石单晶薄膜的制造方法，本发明的特征是在制备<111>取向同质外延金刚石单晶薄膜时采用在反应气体中添加适量的氧气和惰性气体以及对衬底进行研磨处理。

2、按权利要求1所述的制造方法，其特征是氧气用量为0.1-1vol%;惰性气体种类有氩气，氦气等，其用量为1-10vol%;衬底经研磨后的角度一般为1°30′±30′。