CN1458129A - 在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法 - Google Patents

在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN1458129A
CN1458129A CN 03114880 CN03114880A CN1458129A CN 1458129 A CN1458129 A CN 1458129A CN 03114880 CN03114880 CN 03114880 CN 03114880 A CN03114880 A CN 03114880A CN 1458129 A CN1458129 A CN 1458129A
Authority
CN
China
Prior art keywords
alumina
ceramic
diamond
hydrogen
diamond film
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.)
Pending
Application number
CN 03114880
Other languages
English (en)
Inventor
夏义本
王林军
方志军
莫要武
簧晓琴
戴雯琦
文黎星
张文广
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai University
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
University of Shanghai for Science and Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Shanghai for Science and Technology filed Critical University of Shanghai for Science and Technology
Priority to CN 03114880 priority Critical patent/CN1458129A/zh
Publication of CN1458129A publication Critical patent/CN1458129A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明述及一种在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法，其特征在于采用微波等离子体化学气相沉积法进行金刚石薄膜定向沉积，其工艺步骤如下：a.在未沉积金刚石膜之前，采用碳离子注入处理法+对氧化铝陶瓷进行碳离子注入，然后在含有氮气和氢气的混合气氛下进行微波等离子体高温退火处理；b.在经退火处理的氧化铝陶瓷上进行金刚石膜的定向沉积，即将氧化铝陶瓷放置在微波等离子体辐射的石英管反应室中，反应室抽真空并送入氢气和甲烷的混合气体，在特殊装置中和特定工艺下，进行气相沉积金刚石薄膜，而且是定向晶粒形成的金刚石薄膜。

Description

在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法
技术领域
本发明涉及一种在氧化铝陶瓷衬底上实现金刚石薄膜定向生长的方法，属无机非金属材料化学气相沉积工艺领域。
背景技术
氧化铝陶瓷是集成电路中传统采用的一种封装基板材料，但由于氧化铝陶瓷热导率较小(～0.2W/cm·K)，不能及时将芯片热量散发出去，不利于集成电路向高功率密度方向的发展；另外氧化铝陶瓷的介电系数也较大(～10)，会导致较长的信号延误时间，从而限制了集成电路向更高频率的发展。而金刚石具有所有物质中最高的热导率，且介电系数低，是最理想的封装基片和构装基板材料。但天然金刚石价格昂贵，尺寸小，不适合作为基板材料。有文献报道，将金刚石薄膜与氧化铝陶瓷复合制成复合材料(Chin.Phys.Lett.13(7)(1996)p459)，被认为是一种性/价比很高的封装基板材料。但由于一般方法所得的金刚石薄膜为任意取向的多晶，表面平整度不高，不利于封装基板的表面金属化和信号引出。另外，随机取向金刚石薄膜所表现出来的性质，是各个不同方向晶粒性质和杂质、缺陷等共同作用的平均结果。随机取向金刚石薄膜由于取向的不一致性，晶界等缺陷的密度特别高，因此无法具有天然单晶金刚石的优异性能。如天然单晶金刚石热导率高达(20W/cm·K)，而任意取向的多晶金刚石膜即使纯度很高，其热导率仍会由于晶界等缺陷的大量存在而大打折扣。
相对其它面来说，金刚石的(100)晶面具有最好的表面平整度和低的缺陷密度。如果能实现金刚石薄膜在氧化铝陶瓷上的[100]定向生长，无疑能使得到的复合基片在平整度和缺陷密度等指标上有改善，从而有利于充分发挥金刚石的优异性能。但是目前报道较多的金刚石薄膜异质定向生长主要集中在[100]定向的硅单晶衬底上，这主要是因为硅单晶的结构与金刚石相同，都属于立方晶系，且晶格参数也与金刚石相近，晶格失配小，因而在硅上实现金刚石膜的定向生长相对于其它衬底而言难度小一些。如：Stoner等1992年首次利用偏压增强微波等离子体化学气相沉积(bias-enhancedMPCVD)在Si(100)上通过过渡层β-SiC形成了具有良好织构的金刚石膜(Appl.Phys.Lett.60(1992)p698)。1993年，Jiang等人采用偏压增强MPCVD方法在Si(100)上生长[100]定向金刚石薄膜获得成功(Appl.Phys.Lett.62(1993)p3438)。对于氧化铝陶瓷而言，其主晶相为α-Al2O3，属于三方晶系，且晶格参数和热膨胀系数也与金刚石相距甚远。另外，氧化铝陶瓷的性质十分稳定，通常条件下不能像硅衬底那样与碳反应生成碳化物。因此在氧化铝陶瓷上实现金刚石膜的定向生长要比在硅衬底上困难得多，至今为止还没有在陶瓷衬底上定向生长金刚石薄膜的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法。本发明的另一个目的是通过适当预处理工艺和对反应沉积条件的控制，在氧化铝陶瓷上实现金刚石薄膜在[100]晶面定向生长，从而最终提高金刚石膜/氧化铝复合材料基片的综合性能。
本发明的技术方案中，考虑到由于氧化铝陶瓷性质与金刚石相距甚远，不容易在其表面直接形成有一定取向的金刚石晶核，故要作适当的预处理，也即是进行离子注入处理。
本发明的特征是采用微波等离子体化学气相沉积法进行金刚石薄膜定向沉积，其工艺步骤如下：
a.在未沉积金刚石膜之前，采用C12 +对氧化铝陶瓷进行碳离子注入处理，然后在含有95％氮气和5％氢气的混合气氛下进行微波等离子体高温退火处理；
b.在上述经处理的氧化铝陶瓷上进行金刚石膜的定向沉积，即将氧化铝陶瓷放置在微波等离子体辐射的石英管反应室中，反应室抽真空并送入分析纯的氢气和分析纯的甲烷的混合气体，其中甲烷占有体积百分数为0.5-5％，氧化铝陶瓷的温度保持在500-900℃之间，在特殊装置中进行气相沉积金刚石薄膜；在沉积金刚石薄膜过程中采用循环生长工艺，即采用金刚石膜生长与氢等离子体刻蚀循环交替的生长模式，通过控制甲烷流量开关来实现。
循环生长工艺，即在晶粒生长过程中通入控制甲烷和氢气作为反应气体，实现金刚石薄膜的生长，随后关闭甲烷气体开关，只通入氢气，利用氢等离子体对晶粒的刻蚀作用，如此反复进行多次，其每个循环过程持续时间为8小时，晶粒生长期与氢等离子体刻蚀期的时间比率为6∶2。由于氢等离子体对非[100]取向晶粒的刻蚀作用远大于[100]取向晶粒，因此，通过这种方法，可以尽量减少薄膜中非[100]取向晶粒的数量，而[100]取向晶粒则由于较弱的刻蚀作用而优先沉积，即在氢离子的刻蚀作用下，[100]取向晶粒实现优先生长，非[100]取向晶粒由于选择定则逐渐减少，当薄膜长到一定厚度时最终实现了金刚石薄膜的[100]定向生长。
氧化铝陶瓷事先进行离子注入处理，然后放入含有氮氢混合气体的微波等离子体中高温退火，其目的就是可在氧化铝陶瓷上得到一层具有一定取向得金刚石晶核。
高温退火处理，是在微波等离子体化学气相沉积的专用设备中进行，采用磁控管产生微波，通过控制微波功率对置于石英反应管内的已注入碳离子的氧化铝陶瓷进行退火处理，退火温度为1050℃，最佳退火时间为45分钟。
本发明方法的特点和效果是能在氧化铝陶瓷上获得金刚石薄膜[100]晶面的定向生长，并能提高金刚石膜/氧化铝复合基片的综合性能。
附图说明
图1为本发明方法的微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)的装置图。
图2为图1中A-A截面图。
图3为本发明方法制得的样品的X射线衍射分析图。
具体实施方式
现结合附图将实施例叙述于后：
实施例一：氧化铝陶瓷片经表面抛光后，放入离子注入机中，用100KeV的碳离子进行注入处理，注入剂量为7×1018cm-2，然后把注入样品放入图1所示的MPCVD设备中进行退火处理。如图1和图2所示，微波源(如虚线部分所标)由频率为2.45GHz的磁控管1、阳极电流表2、入射功率表4、反射功率表5、空气负载6及四螺钉调配器7所组成，微波源输出功率连续可调，最大功率可达1000W。微波源产生的微波由尺寸为110×55mm2的黄铜矩形波导8、截止波导9和短路活塞18以TE10模式传输到Φ39mm的石英反应管10中。石英反应管10水平放置，氧化铝基片15放置于石英舟14上，使之全部浸入微波激发产生的等离子体区16中。采用含有95％氮气和5％氢气的混合气体为退火气氛。用气体流量计分别控制氢气和氮气的流量为5标准毫升/分和95标准毫升/分，混合后经反应气体入口11进入石英反应管10，同时控制石英反应管10的气压在10kPa(千帕)，而反应功率控制在500W左右。为了解氧化铝陶瓷基片的退火温度，用光电温度计13，透过平整光学玻璃12检测。通过控制微波功率调节退火温度为1050℃，最佳退火时间为45分钟。
图1中短路活塞18的作用是调节入射波和反射波的相位差，从而使微波功率集中在石英反应管10的中心，有利于反应和沉积。截止波导9设有冷却水进出口19，以防止波导管受热过剧。
氧化铝陶瓷基片退火完毕后，进入金刚石薄膜的生长过程，也同样在上述的MPCVD设备中进行，工艺步骤也与退火过程十分相似，只是将反应气体改为氢气和甲烷，且具体条件也有些变动。本装置中的石英反应管10实际上相当于一个反应室或沉积室。其过程是通过气体流量计控制氢气和甲烷的浓度分别为100标准毫升/分和1sccm标准毫升/分，混合后经反应气体入口11，进入石英反应沉积室10。在沉积金刚石薄膜和生长时控制反应室的气压在3.8kPa，沉积室内氧化铝陶瓷基片15的温度为800℃。另外，在沉积金刚石膜的过程中引入循环生长工艺，即采用金刚石生长与氢等离子体刻蚀循环交替的生长模式，通过控制甲烷流量的开关实现[100]定向生长和H等离子体选择刻蚀的交替进行，每个循环过程持续8小时，晶粒薄膜生长期与刻蚀期的时间比率为6∶2。
  所制得的氧化铝陶瓷上金刚石薄膜，其表面平整度较高。从样品的X射线衍射分析(XRD)可以看出，其(400)衍射峰的强度很高，而其他取向的衍射峰的强度都很低，说明薄膜中绝大部分晶粒是[100]取向的，即所得金刚石薄膜为[100]定向薄膜，参见图3。

Claims (4)

1.一种在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法，其特征在于，采用微波等离子体化学气相沉积法进行金刚石薄膜定向沉积，其工艺步骤如下：
a.在未沉积金刚石膜之前，采用C12 +对氧化铝陶瓷进行碳离子注入处理，然后在含有95％氮气和5％氢气的混合气氛下进行微波等离子体高温退火处理；
b.在上述经处理的氧化铝陶瓷上进行金刚石膜的定向沉积，即将氧化铝陶瓷放置在微波等离子体辐射的石英管反应室中，反应室抽真空并送入分析纯的氢气和分析纯的甲烷的混合气体，其中甲烷占有体积百分数为0.5-5％，氧化铝陶瓷的温度保持在500-900℃之间，在特殊装置中进行气相沉积金刚石薄膜；在沉积金刚石薄膜过程中采用循环生长工艺，即采用金刚石膜生长与氢等离子体刻蚀循环交替的生长模式，通过控制甲烷流量开关来实现。
2.根据权利要求1所述的一种在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法，其特征在于，所述的微波等离子体高温退火处理，其方法是在微波等离子体化学气相沉积的专用设备中进行，采用磁控管产生微波，通过控制微波功率对置于石英反应管内的已注入碳离子的氧化铝陶瓷进行退火处理，退火温度为1050℃，最佳退火时间为45分钟。
3.根据权利要求1所述的一种在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法，其特征在于，所述的送入石英管反应室中的混合气体中，氢气的流量浓度为100标准毫升/分钟，甲烷的流量浓度为1标准毫升/分钟，反应室内的气压为3.8KPa(千帕)，氧化铝陶瓷的温度为800℃。
4.根据权利要求1所述的一种在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法，其特征在于，所述的循环生长工艺，即通过控制甲烷流量的开关实现金刚石[100]面定向和氢等离子体刻蚀的交替进行，其每个循环过程持续时间为8小时，金刚石晶体生长期与氢等离子体刻蚀期的时间比率为6∶2。
CN 03114880 2003-01-14 2003-01-14 在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法 Pending CN1458129A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 03114880 CN1458129A (zh) 2003-01-14 2003-01-14 在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 03114880 CN1458129A (zh) 2003-01-14 2003-01-14 在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1458129A true CN1458129A (zh) 2003-11-26

Family

ID=29430246

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 03114880 Pending CN1458129A (zh) 2003-01-14 2003-01-14 在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN1458129A (zh)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1300046C (zh) * 2004-11-03 2007-02-14 上海大学 一种氧化铝－金刚石复合材料的制造方法
CN100442438C (zh) * 2006-12-20 2008-12-10 南京大学 一种非晶碳膜半导体制备方法
CN101346206B (zh) * 2005-12-23 2011-06-01 朗姆研究公司 等离子系统
CN101705478B (zh) * 2009-12-04 2011-06-01 北京科技大学 一种提高自支撑金刚石膜强度的方法
CN102391015A (zh) * 2011-07-27 2012-03-28 西安交通大学 SiC陶瓷表面处理方法及其用途
CN103305807A (zh) * 2013-05-07 2013-09-18 大连理工大学 一种制备氮掺杂纳米金刚石的方法及其电催化应用
CN106400110A (zh) * 2016-08-31 2017-02-15 兰州空间技术物理研究所 多晶金刚石复合感压薄膜、其制备方法及电容薄膜真空规
CN109935678A (zh) * 2017-12-15 2019-06-25 Tcl集团股份有限公司 一种封装薄膜及其制备方法、光电器件
CN109957824A (zh) * 2017-12-25 2019-07-02 深圳先进技术研究院 纳米金刚石阵列及其制备方法
CN110835746A (zh) * 2019-12-02 2020-02-25 长沙新材料产业研究院有限公司 一种低缺陷高透光率金刚石生长方法和系统
CN113174582A (zh) * 2021-04-22 2021-07-27 安徽新力电业科技咨询有限责任公司 微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石膜方法
CN114197042A (zh) * 2021-11-19 2022-03-18 西安电子科技大学芜湖研究院 一种多晶金刚石膜的制备方法和辐射探测器
CN114908319A (zh) * 2022-04-22 2022-08-16 宁波杭州湾新材料研究院 一种金刚石-氧化铝复合薄膜及其制备方法

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1300046C (zh) * 2004-11-03 2007-02-14 上海大学 一种氧化铝－金刚石复合材料的制造方法
CN101346206B (zh) * 2005-12-23 2011-06-01 朗姆研究公司 等离子系统
CN100442438C (zh) * 2006-12-20 2008-12-10 南京大学 一种非晶碳膜半导体制备方法
CN101705478B (zh) * 2009-12-04 2011-06-01 北京科技大学 一种提高自支撑金刚石膜强度的方法
CN102391015A (zh) * 2011-07-27 2012-03-28 西安交通大学 SiC陶瓷表面处理方法及其用途
CN102391015B (zh) * 2011-07-27 2013-01-02 西安交通大学 SiC陶瓷表面处理方法及其用途
CN103305807A (zh) * 2013-05-07 2013-09-18 大连理工大学 一种制备氮掺杂纳米金刚石的方法及其电催化应用
CN103305807B (zh) * 2013-05-07 2015-06-24 大连理工大学 一种制备氮掺杂纳米金刚石的方法及其电催化应用
CN106400110A (zh) * 2016-08-31 2017-02-15 兰州空间技术物理研究所 多晶金刚石复合感压薄膜、其制备方法及电容薄膜真空规
CN109935678A (zh) * 2017-12-15 2019-06-25 Tcl集团股份有限公司 一种封装薄膜及其制备方法、光电器件
CN109957824A (zh) * 2017-12-25 2019-07-02 深圳先进技术研究院 纳米金刚石阵列及其制备方法
CN110835746A (zh) * 2019-12-02 2020-02-25 长沙新材料产业研究院有限公司 一种低缺陷高透光率金刚石生长方法和系统
CN110835746B (zh) * 2019-12-02 2022-02-11 长沙新材料产业研究院有限公司 一种低缺陷高透光率金刚石生长方法和系统
CN113174582A (zh) * 2021-04-22 2021-07-27 安徽新力电业科技咨询有限责任公司 微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石膜方法
CN114197042A (zh) * 2021-11-19 2022-03-18 西安电子科技大学芜湖研究院 一种多晶金刚石膜的制备方法和辐射探测器
CN114908319A (zh) * 2022-04-22 2022-08-16 宁波杭州湾新材料研究院 一种金刚石-氧化铝复合薄膜及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1458129A (zh) 在氧化铝陶瓷上进行金刚石薄膜定向生长的方法
US4623425A (en) Method of fabricating single-crystal substrates of silicon carbide
Hung et al. Epitaxial growth of MgO on (100) GaAs using ultrahigh vacuum electron‐beam evaporation
CN105177705A (zh) 金刚石膜的制造方法
EP0269439A2 (en) A heteroepitaxial growth method
CN112877773A (zh) 利用固态碳源的无气流mpcvd单晶金刚石生长方法
CN112647130B (zh) 一种低压化学气相沉积生长氧化镓薄膜的方法
CN111118471A (zh) 一种高质量多晶金刚石膜制备方法
JP3728464B2 (ja) 単結晶ダイヤモンド膜気相合成用基板の製造方法
CN206109529U (zh) 一种高功率大面积偏压微波等离子体金刚石薄膜沉积装置
Henke et al. Synthesis of epitaxial β‐SiC by C60 carbonization of silicon
CN112609240B (zh) 基于复合结构样品台提高金刚石异质外延大尺寸形核均匀性的方法
CN112813496B (zh) 一种高定向热解石墨的制备方法
Dasgupta et al. Substrate temperature: A critical parameter for the growth of microcrystalline silicon-carbon alloy thin films at low power
CN112831834A (zh) 一种在Ru(0001)薄膜上异质外延生长金刚石（111）薄膜的制备方法
JP3728466B2 (ja) 単結晶ダイヤモンド膜の製造方法
CN101369620A (zh) 在硅衬底上实现氮化镓薄膜低温沉积的方法
CN105803523B (zh) 一种半导体材料的外延方法
Vodopyanov et al. Monocrystalline InN films grown at high rate by organometallic vapor phase epitaxy with nitrogen plasma activation supported by gyrotron radiation
JP3728469B2 (ja) 単結晶ダイヤモンド膜の形成方法
CN115198358B (zh) 一种大尺寸hpht金刚石单晶片同质外延生长方法
CN108914086A (zh) 铁掺杂金刚石稀磁半导体及其制备方法
Konushi et al. Epitaxial growth of zirconia and yttria stabilized zirconia films on sapphire substrates by reactive sputtering
CN203174221U (zh) 一种快速制备晶体外延薄膜的装置
Mil’vidskii et al. Semiconductor materials for present-day solid-state electronics

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication