CN111378954A - 一种制备金刚石膜的装置及方法 - Google Patents
一种制备金刚石膜的装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111378954A CN111378954A CN201811612029.XA CN201811612029A CN111378954A CN 111378954 A CN111378954 A CN 111378954A CN 201811612029 A CN201811612029 A CN 201811612029A CN 111378954 A CN111378954 A CN 111378954A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- plasma
- substrate material
- microwave
- reaction chamber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 103
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 103
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 19
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 138
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 137
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 47
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 42
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 31
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 39
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 39
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 17
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 claims description 9
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 claims description 9
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 7
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims description 7
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 claims description 5
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 28
- 239000007769 metal material Substances 0.000 abstract description 10
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 8
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 8
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 5
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 4
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N Hydrogen atom Chemical group [H] YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- YQGOJNYOYNNSMM-UHFFFAOYSA-N eosin Chemical compound [Na+].OC(=O)C1=CC=CC=C1C1=C2C=C(Br)C(=O)C(Br)=C2OC2=C(Br)C(O)=C(Br)C=C21 YQGOJNYOYNNSMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QFXZANXYUCUTQH-UHFFFAOYSA-N ethynol Chemical group OC#C QFXZANXYUCUTQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000004050 hot filament vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
- C23C16/27—Diamond only
- C23C16/274—Diamond only using microwave discharges
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
- C23C16/27—Diamond only
- C23C16/276—Diamond only using plasma jets
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/458—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for supporting substrates in the reaction chamber
- C23C16/4582—Rigid and flat substrates, e.g. plates or discs
- C23C16/4583—Rigid and flat substrates, e.g. plates or discs the substrate being supported substantially horizontally
- C23C16/4584—Rigid and flat substrates, e.g. plates or discs the substrate being supported substantially horizontally the substrate being rotated
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明提供一种制备金刚石膜的装置，其采用微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一自旋转基片台，工作过程中微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，在自旋转基片台上设置一个衬底材料，衬底材料靠近外缘有一个环形凹坑，凹坑中填充一种金属材料，该金属材料高出衬底材料表面，形成一个环形金属凸起。本发明的优点在于，通过对衬底材料的改进，使成膜基底材料表面在沉积金刚石膜时具有比较合适的气流分布和等离子体分布。
Description
技术领域
本发明属于真空微电子技术领域，具体涉及一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法。
背景技术
金刚石具有极高的硬度，并在室温下具有极高热导率、低膨胀系数、高化学惰性等优异性能，可用来制作切削工具和耐磨部件，在机械加工领域应用广泛。另外，它还是制作表面压力传感器、抗辐射半导体器件、大功率半导体激光器级高密度防腐耐磨红外光学窗口等器件的理想材料。然而天然金刚石数量稀缺、价格昂贵且难于加工的缺点制约了金刚石的广泛使用。上世纪50年代发展起来的高温高压(HTHP)法合成的金刚石为粉末状，生长大颗粒的金刚石成本很高，应用受到限制并且含金属催化剂杂质。自从Matsumto等人于1982年发明了化学气相沉积(CVD)法制备金刚石膜后，人们看见了金刚石膜应用研究的曙光。今天，人们关于CVD金刚石的研究更具现实性，国内外关于高速、高质量、大面积均匀生长金刚石膜的制备技术已成为研究人员当前所迫切解决的课题。
采用CVD法制备金刚石膜的工艺，目前已经开发出很多种，其中主要有：热丝法(HFCVD)、微波法(MPCVD)、直流等离子体炬法和氧-乙炔燃烧火焰法等。其中微波法是用电磁波能量来激发反应气体，由于是无电极放电，等离子体纯净，同时微波的放电区域集中而不扩展，能激活产生各种原子基团如原子氢等，产生的离子的最大动能低，不会腐蚀已生成的金刚石。微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备金刚石的性能与天然金刚石十分接近甚至部分性能超越了天然金刚石，这使得MPCVD金刚石膜的制备成为各个科研机构的研究热点。
微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置一般包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一个自旋转基片台，制备金刚石的过程中，微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，等离子体球紧贴在成膜基底材料表面，sp3结构含碳基团在成膜基底材料表面沉积成为金刚石膜。由于等离子体反应室中间区域的自旋转基片台上方微波能量最强，等离子体球中能量密度分布不同，从而生长出来的大面积金刚石膜层厚度均匀性不好，中间厚而边缘薄。金刚石膜中间区域与边缘区域厚度差一般在10-20％左右，这对金刚石膜的抛光加工造成困难且对金刚石是一种极大的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法，工艺简单，所制备的金刚石膜面积大且厚度均匀。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该制备金刚石膜的装置采用微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一自旋转基片台，工作过程中微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，在自旋转基片台上方有一个衬底材料，衬底材料靠近边缘处有一个圆形的凹坑，凹坑里面填充有具备催石墨化的金属单质或者合金。
按上述方案，衬底材料优选为金属钨或者金属钼。这些金属材料耐高温且物理化学稳定性好。
按上述方案，衬底材料靠近外圆处有一个环形的凹坑，凹坑宽度2.0-3.0mm，深度1.0-2.0mm。
按上述方案，环形凹坑中填充的金属材料优选为Fe，Co或者Ni，或者是这些材料组成的合金，以金属丝状填入为优选方式，填入凹坑后金属丝上部要高出衬底材料表面。
本发明还提供一种制备金刚石膜的方法，其采用上述装置制备，包括以下步骤：
(1)将表面有环形凹坑并填充有特定金属的衬底材料放入等离子体反应室内的自旋基片台上，将表面脱脂处理过的成膜基底材料放在衬底材料中央，随后向等离子体反应室中通入高纯氢气至真空度为1.0-2.0kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热成膜基底材料至800-1000℃，用氢等离子体对成膜基底材料表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min，得到表面洁净的成膜基底材料；
(2)向等离子体反应室中通入甲烷，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数使等离子体球覆盖步骤(1)所得成膜基底材料表面及衬底材料表面凹坑处金属环形圈，使金刚石在成膜基底材料表面形核，形核时间为10-60min；
(3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数进行金刚石膜的生长，生长时间为10-100小时，得到厚度均匀的金刚石膜。
按上述方案，步骤(1)所述表面脱脂处理为将填充有特定金属成分的金属环的衬底材料用丙酮溶液中超声10min后自然晾干；
按上述方案，步骤(1)所述表面脱脂处理为将成膜基底材料放置在研磨盘上用粒度100nm金刚石粉研磨5分钟，然后在含有少量100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声5min，并在丙酮中超声2分钟后用脱脂棉擦干。
本发明所述成膜基底材料可为硅片，钨片或者钼片。优选的是，所述成膜基底材料为P型(100)单晶硅片。P型(100)单晶硅片纯度高，沉积的金刚石膜质量好。
步骤(1)所述本底真空度为10-2-10Pa。所述高纯氢气纯度为99.999v％，甲烷纯度为99.999v％以上。
按上述方案，步骤(2)所述微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数为微波功率3000W，等离子体反应室内工作气压12.0kPa,甲烷流量5sccm，氢气流量200sccm，形核时间30min，成膜基底材料温度800-850℃。
按上述方案，步骤(3)所述微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数为微波功率3500W，等离子体反应室内工作气压13.5kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm，生长时间10-100小时，成膜基底材料温度850-950℃。
本发明的有益效果是：在MPCVD设备原有的结构基础上，对等离子体反应室进行了设计改装，在基片台上增加了一个衬底材料，衬底材料表面有一个圆形凹坑，凹坑中填充了一种催石墨化的金属材料，填充的金属材料上半部高出衬底材料表面，从而在衬底材料表面形成一个环形凸起的金属环。这样能在衬底材料边缘形成一个碳的循环流动区域，并利用等离子体易于吸附于金属表面的特性，从而改变等离子体密度分布，达到提高大面积金刚石膜沉积均匀性的目的。
附图说明
图1A为本发明实施例基片台表面的结构的主视图；
图1B为本发明实施例基片台表面的结构的俯视图；
图2A为现有技术中基片台表面金刚石膜生长环境状态对比示意图；
图2B为本发明实施例基片台表面金刚石膜生长环境状态对比示意图；
图3为实施例1中使用有凸起金属环的衬底材料得到的金刚石膜膜厚分布；
图4为实施例1中未使用有凸起金属环的衬底材料得到的金刚石膜膜厚分布；
图5为实施例2中使用有凸起金属环的衬底材料得到的金刚石膜膜厚分布；
图6为实施例2中未使用有凸起金属环的衬底材料得到的金刚石膜膜厚分布；
图7为本发明实施例提供的系统结构示意图。
图中：1-基片台；2-衬底材料；3-成膜基底材料；4-凹坑环；5-填充金属；6-金刚石膜；7-非金刚石碳。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种制备金刚石膜的装置。本发明所用微波等离子体化学气相沉积装置为不锈钢水冷腔体式微波等离子体化学气相沉积装置，其自旋转基片台直径为60mm，微波最大功率为5000W。本发明所用氢气纯度为99.999v％，所用甲烷纯度为99.999v％。
参考图1A和图1B，为制备金刚石膜的装置采用微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一自旋转基片台1，工作过程中微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，在自旋转基片台上方有一个衬底材料2，衬底材料2靠近边缘处有一个圆形的凹坑4，凹坑里面填充有具备催石墨化的金属单质或者合金。
按上述方案，衬底材料优选为金属钨或者金属钼。这些金属材料耐高温且物理化学稳定性好。
按上述方案，衬底材料靠近外圆处有一个环形的凹坑，凹坑宽度2.0-3.0mm，深度1.0-2.0mm。
按上述方案，环形凹坑4中填充的金属材料优选为Fe，Co或者Ni，或者是这些材料组成的合金，以金属丝状填入为优选方式，填入凹坑后金属丝上部要高出衬底材料表面。
本发明还提供一种制备金刚石膜的方法，其采用上述装置制备，包括以下步骤：
(1)将表面有环形凹坑4并填充有特定填充金属5的衬底材料放入等离子体反应室内的自旋基片台上，将表面脱脂处理过的成膜基底材料3放在衬底材料中央，随后向等离子体反应室中通入高纯氢气至真空度为1.0-2.0kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热成膜基底材料3至800-1000℃，用氢等离子体对成膜基底材料3表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min，得到表面洁净的成膜基底材料3；
(2)向等离子体反应室中通入甲烷，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数使等离子体球覆盖步骤(1)所得成膜基底材料表面及衬底材料表面凹坑处金属环形圈，使金刚石在成膜基底材料表面形核，形核时间为10-60min；
(3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数进行金刚石膜6的生长，生长时间为10-100小时，得到厚度均匀的金刚石膜6。
按上述方案，步骤(1)所述表面脱脂处理为将填充有特定金属成分的金属环的衬底材料用丙酮溶液中超声10min后自然晾干；
按上述方案，步骤(1)所述表面脱脂处理为将成膜基底材料放置在研磨盘上用粒度100nm金刚石粉研磨5分钟，然后在含有少量100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声5min，并在丙酮中超声2分钟后用脱脂棉擦干。
本发明所述成膜基底材料可为硅片，钨片或者钼片。优选的是，所述成膜基底材料为P型(100)单晶硅片。P型(100)单晶硅片纯度高，沉积的金刚石膜质量好。
步骤(1)所述本底真空度为10-2-10Pa。所述高纯氢气纯度为99.999v％，甲烷纯度为99.999v％以上。
按上述方案，步骤(2)所述微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数为微波功率3000W，等离子体反应室内工作气压12.0kPa,甲烷流量5sccm，氢气流量200sccm，形核时间30min，成膜基底材料温度800-850℃。
按上述方案，步骤(3)所述微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数为微波功率3500W，等离子体反应室内工作气压13.5kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm，生长时间10-100小时，成膜基底材料温度850-950℃。
实施例一
衬底材料为直径60mm，厚度4.0mm的圆形金属钼板，表面环形坑外径为57mm，宽度为3.0mm，深度1.0mm，选用填充金属为直径3.0mm的Fe丝。将钼板和Fe丝一起放在丙酮溶液中超声10分钟，取出防尘晾干，得到洁净的衬底材料。
以直径为50mm、厚度为0.2mm的P型(100)单晶硅片作为成膜基底材料沉积金刚石膜。将硅片在研磨盘上用粒度100nm的金刚石粉研磨15分钟，然后在含有少量100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声5分钟，并在丙酮中漂洗5分钟后用脱脂棉擦干，得到表面脱脂处理过的成膜基底材料。
采用以下步骤制备金刚石膜：
(1)将上述表面清洁过的衬底材料放入等离子体反应室内的自旋转基片台上，将脱脂处理过的成膜基底擦料放在衬底材料上，对等离子体反应室抽本地真空10-2Pa，随后向等离子体反应室中通入高纯氢气至真空度为1.5kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热成膜基底材料至800℃(微波功率3000W，工作气压12.0kPa，氢气流量200sccm)，用氢等离子体对成膜基底材料表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为5分钟，得到表面洁净的成膜基底材料；。
(2)向等离子体反应室中通入甲烷，在自旋基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率3000W，工作气压12.0kPa，甲烷流量5sccm，氢气流量200sccm，成膜基底材料温度800℃)使等离子体球覆盖步骤(1)所得衬底材料表面，使金刚石在所述成膜基底材料表面形核，形核时间为30分钟；
(3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率3500W，工作气压13.5kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm,成膜基底材料温度850℃)进行金刚石膜的生长，生长时间为10小时，得到金刚石膜。
对本实施例所制备的金刚石膜膜厚分布进行测试，其膜厚分布图如图3所示，金刚石膜膜厚分布曲线类似于W形状。厚度差为8.2％。
对比例1
衬底材料没有凹坑环，也没有高出衬底材料表面的填充金属，以直径为50mm、厚度为0.2mm的P型(100)单晶硅片作为成膜基底材料沉积金刚石膜。采用与实施一相同的方法处理衬底材料和成膜基底材料。制备金刚石膜的具体步骤为：
(1)将上述表面清洁过的衬底材料放入等离子体反应室内的自旋转基片台上，将脱脂处理过的成膜基底擦料放在衬底材料上，对等离子体反应室抽本地真空10-2Pa，随后向等离子体反应室中通入高纯氢气至真空度为1.5kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热成膜基底材料至800℃(微波功率3000W，工作气压12.0kPa，氢气流量200sccm)，用氢等离子体对成膜基底材料表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为5分钟，得到表面洁净的成膜基底材料；。
(2)向等离子体反应室中通入甲烷，在自旋基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率3000W，工作气压12.0kPa，甲烷流量5sccm，氢气流量200sccm，成膜基底材料温度800℃)使等离子体球覆盖步骤(1)所得衬底材料表面，使金刚石在所述成膜基底材料表面形核，形核时间为30分钟；
(3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率3500W，工作气压13.5kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm,成膜基底材料温度850℃)进行金刚石膜的生长，生长时间为10小时，得到金刚石膜。
对本实施例一所制备的金刚石膜膜厚分布进行测试，其膜厚分布图如图4所示，金刚石膜膜厚分布曲线呈现典型的正太分布曲线。中间高边缘低，厚度差为11.3％。无环形凹坑和高出衬底材料表面的金属环，等离子体球内部密度分布是不均匀的，越靠近等离子体球外缘区域，等离子体密度越低。等离子体能量密度分布不均匀，成膜基底材料表面形成的活性生长基团密度也就不均匀，生长沉积后硅片表面金刚石膜呈现中间高边缘低的厚度分布。
实施例二
衬底材料为直径30mm，厚度4.0mm的圆形金属钼板，表面环形坑外径为28mm，宽度为2.0mm，深度1.0mm，选用填充金属为直径2.0mm的Ni丝。将钼板和Ni丝一起放在丙酮溶液中超声10分钟，取出防尘晾干，得到洁净的衬底材料。
以直径为25mm、厚度为0.2mm的P型(100)单晶硅片作为成膜基底材料沉积金刚石膜。将硅片在研磨盘上用粒度100nm的金刚石粉研磨15分钟，然后在含有少量100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声5分钟，并在丙酮中漂洗5分钟后用脱脂棉擦干，得到表面脱脂处理过的成膜基底材料。
采用以下步骤制备金刚石膜：
(1)将上述表面清洁过的衬底材料放入等离子体反应室内的自旋转基片台上，将脱脂处理过的成膜基底擦料放在衬底材料上，对等离子体反应室抽本地真空10-2Pa，随后向等离子体反应室中通入高纯氢气至真空度为1.5kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热成膜基底材料至800℃(微波功率3000W，工作气压12.0kPa，氢气流量200sccm)，用氢等离子体对成膜基底材料表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为5分钟，得到表面洁净的成膜基底材料；。
(2)向等离子体反应室中通入甲烷，在自旋基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率3000W，工作气压12.0kPa，甲烷流量5sccm，氢气流量200sccm，成膜基底材料温度800℃)使等离子体球覆盖步骤(1)所得衬底材料表面，使金刚石在所述成膜基底材料表面形核，形核时间为30分钟；
(3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率3500W，工作气压13.5kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm,成膜基底材料温度850℃)进行金刚石膜的生长，生长时间为10小时，得到金刚石膜。
对本实施例所制备的金刚石膜膜厚分布进行测试，其膜厚分布图如图5所示，金刚石膜膜厚分布曲线类似于W形状。厚度差为0.6％。
对比实施例二
衬底材料没有凹坑环，也没有高出衬底材料表面的填充金属，以直径为50mm、厚度为0.2mm的P型(100)单晶硅片作为成膜基底材料沉积金刚石膜。采用与实施例二相同的方法处理衬底材料和成膜基底材料。制备金刚石膜的具体步骤为：
(1)将上述表面清洁过的衬底材料放入等离子体反应室内的自旋转基片台上，将脱脂处理过的成膜基底擦料放在衬底材料上，对等离子体反应室抽本地真空10-2Pa，随后向等离子体反应室中通入高纯氢气至真空度为1.5kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热成膜基底材料至800℃(微波功率3000W，工作气压12.0kPa，氢气流量200sccm)，用氢等离子体对成膜基底材料表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为5分钟，得到表面洁净的成膜基底材料；。
(2)向等离子体反应室中通入甲烷，在自旋基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率3000W，工作气压12.0kPa，甲烷流量5sccm，氢气流量200sccm，成膜基底材料温度800℃)使等离子体球覆盖步骤(1)所得衬底材料表面，使金刚石在所述成膜基底材料表面形核，形核时间为30分钟；
(3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率3500W，工作气压13.5kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm,成膜基底材料温度850℃)进行金刚石膜的生长，生长时间为10小时，得到金刚石膜。
对本实施例二所制备的金刚石膜膜厚分布进行测试，其膜厚分布图如图6所示，金刚石膜膜厚分布曲线呈现典型的正太分布曲线。中间高边缘低，厚度差为3.3％。无环形凹坑和高出衬底材料表面的金属环，等离子体球内部密度分布是不均匀的，越靠近等离子体球外缘区域，等离子体密度越低。等离子体能量密度分布不均匀，成膜基底材料表面形成的活性生长基团密度也就不均匀，生长沉积后硅片表面金刚石膜呈现中间高边缘低的厚度分布。
进一步地，如图7所示，为本发明实施例提供的系统结构示意图，包含微波等离子体化学气相沉积(MPCVD装置，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室。
由以上对发明实施例的详细描述，可以了解本发明解决了常规MPCVD方法制备金刚石膜厚度不均匀的问题。利用等离子体易吸附于金属表面的特性，在衬底材料表面设置了一个高出衬底材料表面的金属环形圈，改变了微波电场的能量分布，从而改变等离子体密度分布；同时利用特定金属的催石墨化作用，将流经金属圈的自由碳基团吸附，转化为非金刚石碳7在金属圈周围堆积，当堆积量达到一定的程度，在等离子体的刻蚀作用下，非金刚石碳7又转化为自由基碳。这样能在金属环形圈附近形成一个碳的循环流动圈，改善了边缘处碳活性基团的分布，以上两个原因，达到提高大面积金刚石膜沉积均匀性的目的。根据上面两个实施例的结果，金刚石膜中间区域和边缘区域厚度差由平板状衬底材料的11.3％和3.3％分别减少到添加环形金属圈的8.2％金额0.6％。对金刚石膜的研磨加工只能用金刚石，成本很高，膜层的均匀性提高能大大地降低加工所需平整化研磨的厚度，从而大大降低加工成本。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种制备金刚石膜的装置，其特征在于：包含微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，所述等离子体反应室中设有一自旋转基片台，工作过程中，微波系统产生的微波能进入等离子体反应室，并能在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，在自旋基片台上包含与基片台表面相同形状和大小的衬底材料，所述衬底材料靠近外缘处设有一个环形凹坑。
2.根据权利要求1所述的制备金刚石膜的装置，其特征在于：所述环形凹坑宽度2.0-3.0mm，深度为1.0-2.0mm。
3.根据权利要求1或2所述的制备金刚石膜的装置，其特征在于：所述衬底材料表面的凹坑里填充有一种催石墨化作用的金属。
4.根据权利要求3所述的制备金刚石膜的装置，其特征在于：所述金属为Fe，Co，Ni的单一成分或者它们之间组成的合金。
5.根据权利要求1所述的制备金刚石膜的装置，其特征在于：衬底材料能耐1200℃以上高温，为钨或者钽。
6.一种制备金刚石膜的方法，其特征在于采用权利要求1-5任一项所述装置制备，包括以下步骤：
(1)将表面有环形凹坑并填充有特定金属的衬底材料放入等离子体反应室内的自旋基片台上，将表面脱脂处理过的成膜基底材料放在衬底材料中央，随后向等离子体反应室中通入高纯氢气至真空度为1.0-2.0kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热成膜基底材料至800-1000℃，用氢等离子体对成膜基底材料表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min，得到表面洁净的成膜基底材料；
(2)向等离子体反应室中通入甲烷，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数使等离子体球覆盖步骤(1)所得成膜基底材料表面及衬底材料表面凹坑处金属环形圈，使金刚石在所述成膜基底材料表面形核，形核时间为10-60min；
(3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数进行金刚石膜的生长，生长时间为10-100小时，得到厚度均匀的金刚石膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811612029.XA CN111378954B (zh) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | 一种制备金刚石膜的装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811612029.XA CN111378954B (zh) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | 一种制备金刚石膜的装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111378954A true CN111378954A (zh) | 2020-07-07 |
| CN111378954B CN111378954B (zh) | 2024-06-14 |
Family
ID=71219545
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811612029.XA Active CN111378954B (zh) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | 一种制备金刚石膜的装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111378954B (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111945131A (zh) * | 2020-09-18 | 2020-11-17 | 上海征世科技有限公司 | 一种通过微波等离子体采用碳化硼制备金刚石的方法 |
| CN111962048A (zh) * | 2020-07-16 | 2020-11-20 | 上海征世科技有限公司 | 一种微波等离子体设备用的基片台及设备 |
| CN111979579A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-11-24 | 哈尔滨工业大学 | 用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置 |
| CN112063996A (zh) * | 2020-09-18 | 2020-12-11 | 上海征世科技有限公司 | 一种微波等离子体反应室及其容置基座 |
| CN112142440A (zh) * | 2020-09-15 | 2020-12-29 | 江汉大学 | 一种金刚石膜散热片及其制备方法 |
| CN113403602A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-09-17 | 南方科技大学 | 一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的pcbn刀具及其制备方法 |
| CN115506014A (zh) * | 2022-09-27 | 2022-12-23 | 四川本钻科技有限公司 | 一种单晶金刚石晶体生长用基片台及其使用方法 |
| CN117660942A (zh) * | 2023-12-07 | 2024-03-08 | 合肥先端晶体科技有限责任公司 | 一种降低大尺寸金刚石生长过程中表面温差的办法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06100397A (ja) * | 1992-09-16 | 1994-04-12 | Fujitsu Ltd | ダイヤモンド膜の作製方法及び装置 |
| WO2014090664A1 (en) * | 2012-12-12 | 2014-06-19 | Element Six Technologies Limited | Method for making diamond layers by cvd |
| CN103911596A (zh) * | 2014-02-27 | 2014-07-09 | 武汉工程大学 | 一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法 |
| CN105755437A (zh) * | 2014-12-16 | 2016-07-13 | 宁波江丰电子材料股份有限公司 | 靶材组件结构和磁控溅射系统 |
| CN106929828A (zh) * | 2017-05-12 | 2017-07-07 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种用于微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石膜的基片台 |
| CN206477031U (zh) * | 2017-01-19 | 2017-09-08 | 上海征世科技有限公司 | 互嵌结构的cvd金刚石膜片 |
| RU2637187C1 (ru) * | 2016-11-29 | 2017-11-30 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Плазменный свч реактор |
-
2018
- 2018-12-27 CN CN201811612029.XA patent/CN111378954B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06100397A (ja) * | 1992-09-16 | 1994-04-12 | Fujitsu Ltd | ダイヤモンド膜の作製方法及び装置 |
| WO2014090664A1 (en) * | 2012-12-12 | 2014-06-19 | Element Six Technologies Limited | Method for making diamond layers by cvd |
| CN103911596A (zh) * | 2014-02-27 | 2014-07-09 | 武汉工程大学 | 一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法 |
| CN105755437A (zh) * | 2014-12-16 | 2016-07-13 | 宁波江丰电子材料股份有限公司 | 靶材组件结构和磁控溅射系统 |
| RU2637187C1 (ru) * | 2016-11-29 | 2017-11-30 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Плазменный свч реактор |
| CN206477031U (zh) * | 2017-01-19 | 2017-09-08 | 上海征世科技有限公司 | 互嵌结构的cvd金刚石膜片 |
| CN106929828A (zh) * | 2017-05-12 | 2017-07-07 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种用于微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石膜的基片台 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 姚广春: "《冶金碳素材料性能及生产工艺》", 冶金工业出版社, pages: 10 - 2 * |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111962048A (zh) * | 2020-07-16 | 2020-11-20 | 上海征世科技有限公司 | 一种微波等离子体设备用的基片台及设备 |
| CN111962048B (zh) * | 2020-07-16 | 2021-08-20 | 上海征世科技股份有限公司 | 一种微波等离子体设备用的基片台及设备 |
| CN111979579A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-11-24 | 哈尔滨工业大学 | 用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置 |
| CN112142440A (zh) * | 2020-09-15 | 2020-12-29 | 江汉大学 | 一种金刚石膜散热片及其制备方法 |
| CN111945131A (zh) * | 2020-09-18 | 2020-11-17 | 上海征世科技有限公司 | 一种通过微波等离子体采用碳化硼制备金刚石的方法 |
| CN112063996A (zh) * | 2020-09-18 | 2020-12-11 | 上海征世科技有限公司 | 一种微波等离子体反应室及其容置基座 |
| CN112063996B (zh) * | 2020-09-18 | 2021-04-20 | 上海征世科技有限公司 | 一种微波等离子体反应室及其容置基座 |
| CN113403602A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-09-17 | 南方科技大学 | 一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的pcbn刀具及其制备方法 |
| CN113403602B (zh) * | 2021-06-21 | 2023-10-27 | 南方科技大学 | 一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的pcbn刀具及其制备方法 |
| CN115506014A (zh) * | 2022-09-27 | 2022-12-23 | 四川本钻科技有限公司 | 一种单晶金刚石晶体生长用基片台及其使用方法 |
| CN117660942A (zh) * | 2023-12-07 | 2024-03-08 | 合肥先端晶体科技有限责任公司 | 一种降低大尺寸金刚石生长过程中表面温差的办法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111378954B (zh) | 2024-06-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111378954B (zh) | 一种制备金刚石膜的装置及方法 | |
| CN103911596B (zh) | 一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法 | |
| CN102157353A (zh) | 一种高导热集成电路用金刚石基片的制备方法 | |
| CN105568253B (zh) | 一种等离子体化学气相沉积设备生长六方氮化硼的方法 | |
| CN103594306B (zh) | 一种金刚石/金属复合材料夹持杆及制备方法 | |
| CN105274500A (zh) | 等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法 | |
| EP0272418B1 (en) | Apparatus and process to condensate diamond | |
| CN102392226A (zh) | 一种石墨烯/氮化硼异质薄膜的制备方法 | |
| KR20070106365A (ko) | 유사 다이아몬드 탄소 필름의 제조방법 | |
| CN101363118B (zh) | 在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法 | |
| CN112981364B (zh) | 一种快热响应超黑材料及其制备方法 | |
| CN113089093B (zh) | 金刚石半导体结构的形成方法 | |
| CN110429020A (zh) | 一种管式pecvd设备制备非晶硅薄膜的方法 | |
| KR20050012149A (ko) | 다이아몬드막의 제조방법 | |
| JP2978023B2 (ja) | 合成ダイヤモンドフィルムの製造方法 | |
| CN108505018A (zh) | 一种生长高质量金刚石颗粒及金刚石薄膜的方法 | |
| JP4068817B2 (ja) | ダイヤモンド膜の製造方法及びダイヤモンド膜 | |
| CN111620340B (zh) | 一种原位生长TiC纳米管的方法 | |
| JP2019112288A (ja) | 炭化ケイ素部材および半導体製造装置用部材 | |
| CN110371956A (zh) | 氮掺杂的碳纳米管/石墨烯复合薄膜及其制备方法 | |
| US6656444B1 (en) | Methods for synthesizing high-efficiency diamond and material and diamond material produced thereby | |
| Nakamura et al. | High quality chemical vapor deposition diamond growth on iron and stainless steel substrates | |
| JPH0568097B2 (zh) | ||
| CN113418904B (zh) | 一种表面增强拉曼散射基底及其制备方法和应用 | |
| US7767275B2 (en) | Method for synthesizing self-aligned carbon nanomaterials on large area |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 201799 west side of Building 2, No. 500, Huapu Road, Qingpu District, Shanghai Applicant after: Shanghai Zhengshi Technology Co.,Ltd. Address before: 201799 west side of Building 2, No. 500, Huapu Road, Qingpu District, Shanghai Applicant before: SHANGHAI ZHENGSHI TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |