一種利用等離子體擋板優(yōu)化單晶金剛石同質(zhì)外延生長(zhǎng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及優(yōu)化單晶金剛石同質(zhì)外延生長(zhǎng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，大尺寸單晶金剛石及準(zhǔn)單晶金剛石由于其極高的硬度、超高的熱導(dǎo)率、極寬的電磁透過(guò)頻段、優(yōu)異的抗輻照能力和耐腐蝕性能，在精密加工、高頻通訊、航天宇航、尖端技術(shù)等高科技領(lǐng)域日漸成為基礎(chǔ)、關(guān)鍵甚至唯一的材料解決方案。傳統(tǒng)的人造單晶金剛石是采用高溫高壓(HPHT)法，該方法制備出的金剛石含雜質(zhì)較多，缺陷密度較高，質(zhì)量相對(duì)較差，且尺寸較小，與相關(guān)應(yīng)用的需求相比相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致HPHT金剛石適用范圍較窄，在行業(yè)中處于下游，利潤(rùn)低，競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。
[0003]相比于HPHT法，微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(MWCVD)法是目前公認(rèn)的制備大尺寸單晶金剛石的最佳方法之一，該方法制備的單晶金剛石具有雜質(zhì)濃度低，透過(guò)波段寬，缺陷密度低，尺寸較大和生長(zhǎng)速率可控等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望成為未來(lái)大批量生產(chǎn)人造金剛石的方法。
[0004]該方法外延生長(zhǎng)單晶金剛石時(shí)，金剛石籽晶表面與等離子體直接接觸，而等離子體的密度，形態(tài)及與籽晶的接觸方式都會(huì)對(duì)金剛石的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。由于等離子體由原子氫與帶有活性基團(tuán)的原子碳構(gòu)成，原子碳在沉積過(guò)程中以SP2鍵合與SP3鍵合兩種形式隨機(jī)進(jìn)行，而原子氫對(duì)碳原子的SP2鍵的刻蝕作用較強(qiáng)，而對(duì)SP3鍵的刻蝕作用較弱，使得SP2鍵的非金剛石碳相被去除，而SP3鍵的金剛石相被保留。所以，若等離子體中原子氫的密度過(guò)低，將直接導(dǎo)致CVD單晶層中的SP2鍵含量增大，導(dǎo)致外延生長(zhǎng)層的質(zhì)量嚴(yán)重下降；而若原子氫密度過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致對(duì)SP3鍵的刻蝕作用過(guò)強(qiáng)，使得生長(zhǎng)速率緩慢，生長(zhǎng)質(zhì)量也會(huì)有所下降。同時(shí)，由于金剛石籽晶的上表面為拋光的100晶面，在該表面外延生長(zhǎng)的CVD單晶層質(zhì)量較好，而側(cè)表面未拋光，粗糙表面具有雜亂的晶面取向及宏觀缺陷，很大程度上降低了單晶層的生長(zhǎng)質(zhì)量。同時(shí)，等離子體為橢球狀，下部與金剛石籽晶直接接觸，由于表面吸附作用，接觸部分的等離子體會(huì)包裹金剛石籽晶，使得上表面與側(cè)表面同時(shí)生長(zhǎng)，而側(cè)表面處等離子體濃度會(huì)略低于上表面，導(dǎo)致側(cè)表面?zhèn)认蛏L(zhǎng)區(qū)域的外延生長(zhǎng)層質(zhì)量遠(yuǎn)低于上表面。綜上所述，控制等離子體密度及等離子體與籽晶的接觸方式，對(duì)大尺寸優(yōu)質(zhì)單晶金剛石的生長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用。
[0005]除此之外，在通常的CVD金剛石生長(zhǎng)系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)艙體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全暴露在等離子體氛圍下，使得被電離的碳原子活性基團(tuán)極易附著和沉積在艙體內(nèi)的所有裸露表面，在表面形成多晶金剛石、類金剛石及非晶碳相的混合物，這類物質(zhì)有著較大的硬度與耐磨性，難以除去，會(huì)對(duì)艙體造成一定程度的污染。所以，控制等離子體的形態(tài)，對(duì)儀器設(shè)備的維護(hù)也有著不可忽視的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決現(xiàn)有MWCVD生長(zhǎng)系統(tǒng)中等離子體密度對(duì)籽晶生長(zhǎng)質(zhì)量的影響，等離子體形態(tài)與籽晶接觸方式導(dǎo)致側(cè)向生長(zhǎng)區(qū)域質(zhì)量較低，以及等離子體中碳源沉積污染艙體等問(wèn)題，而提供一種利用等離子體擋板優(yōu)化單晶金剛石同質(zhì)外延生長(zhǎng)的方法。
[0007]一種利用等離子體擋板優(yōu)化單晶金剛石同質(zhì)外延生長(zhǎng)的方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0008]一、清洗:將金剛石籽晶和金屬鉬襯底圓片進(jìn)行清洗，得到清洗后的金剛石籽晶和清洗后的金屬鉬襯底圓片；
[0009]二、焊接:將清洗后的金剛石籽晶用金箔焊接在清洗后的金屬鉬襯底圓片上，得到固定在金屬鉬襯底圓片的金剛石籽晶；
[0010]三、放置樣品:
[0011]將固定在金屬鉬襯底圓片的金剛石籽晶置于微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積儀器的底座托盤中心；
[0012]四、放置等離子體擋板:
[0013]將金屬鉬等離子體擋板置于微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積儀器的底座上，使固定在金屬鉬襯底圓片的金剛石籽晶處于金屬鉬等離子體擋板中心圓孔的正中心位置；
[0014]所述的金屬鉬等離子體擋板由圓環(huán)、連接壁及圓板組成，圓環(huán)的內(nèi)沿通過(guò)連接壁與圓板的外沿相連接，圓板的中心位置設(shè)有中心圓孔；所述的圓環(huán)的內(nèi)沿直徑大于圓板的直徑；所述的圓環(huán)的外沿直徑與步驟一中所述的清洗后的金屬鉬襯底圓片的直徑比為6:1 ;所述的圓板與步驟一中所述的清洗后的金屬鉬襯底圓片的直徑比為5:1 ;所述的中心圓孔與步驟一中所述的清洗后的金屬鉬襯底圓片的直徑比為1.5:1 ;
[0015]所述的金屬鉬等離子體擋板與步驟二中所述的固定在金屬鉬襯底圓片的金剛石籽晶的高度比為1:1 ;
[0016]五、生長(zhǎng)前準(zhǔn)備工作:
[0017]關(guān)艙，對(duì)艙體進(jìn)行抽真空，至艙體內(nèi)真空度達(dá)到1.0X l(T6mbar?3.0X l(T6mbar，開啟程序，通入氫氣及氧氣，設(shè)定氫氣流量為40sccm?60sccm，氧氣流量為30sccm?60sccm，艙體氣壓為15mbar?30mbar，啟動(dòng)微波發(fā)生器，激活等離子體，升高艙體氣壓和微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積儀器的功率，直至固定在金屬鉬襯底圓片的金剛石籽晶表面溫度達(dá)到600°C?1000°C，然后在溫度為600°C?1000°C及氫氧混合等離子體氣氛中，對(duì)固定在金屬鉬襯底圓片的金剛石籽晶刻蝕20min?30min ；
[0018]六、金剛石生長(zhǎng):
[0019]停止通入氧氣，同時(shí)通入甲烷氣體，設(shè)定甲烷與氫氣的流量比為1: (10?20)，調(diào)整艙體氣壓為200mbar?300mbar，此時(shí)微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積儀器的功率為4000W?5000W，固定在金屬鉬襯底圓片的金剛石籽晶表面溫度達(dá)到800°C?1100°C，在溫度為800°C?1100 °C、功率為4000W?5000W及甲烷與氫氣的混合等離子體氣氛中，金剛石生長(zhǎng)12h?36h，即完成利用等離子體擋板優(yōu)化單晶金剛石同質(zhì)外延生長(zhǎng)的方法。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:1、本發(fā)明通過(guò)采用特殊設(shè)計(jì)的金屬鉬等離子體擋板，遮擋部分等離子體，使得等離子體表面與籽晶上表面均勻接觸，在很大程度上地降低了等離子體與籽晶側(cè)表面的接觸，使得籽晶上表面優(yōu)先生長(zhǎng)，獲得質(zhì)量較高的CVD外延生長(zhǎng)層。
[0021]2、除樣品部分暴露在等離子體下外，艙體內(nèi)其余部分均被等離子體擋板遮擋，使得等離子體無(wú)法接觸到艙體其余部分，從而極大地減少了活性碳源在艙體底座及側(cè)面的附著和沉積，保護(hù)艙體不受沉積非晶碳等物質(zhì)的污染。
[0022]3、對(duì)于不同的生長(zhǎng)溫度和氣體流量，調(diào)控氣壓值，使得等離子體中氫原子及碳原子密度處于所需溫度下的最優(yōu)值，在提高了生長(zhǎng)速率的同時(shí)，保證了 CVD外延生長(zhǎng)層的質(zhì)量。
[0023]本發(fā)明用于一種利用等離子體擋板優(yōu)化單晶金剛石同質(zhì)外延生長(zhǎng)的方法。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為將固定在金屬鉬襯底的金剛石籽晶及金屬鉬等離子體擋板放置于微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積儀器底座上的側(cè)向剖面圖，I為清洗后的金剛石籽晶，2為清洗后的金屬鉬襯底圓片，3為金屬鉬等離子體擋板，4為微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積儀器底座，5為冷卻水流道；
[0025]圖2為對(duì)比實(shí)驗(yàn)一未使用金屬鉬等離子體擋板的等離子體與金剛石籽晶接觸方式圖；1為清洗后的金剛石籽晶，2為清洗后的金屬鉬襯底圓片，3為等離子體，4為微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積儀器底座；
[0026]圖3為實(shí)施例一使用金屬鉬等離子體擋板的等離子體與金剛石籽晶接觸方式圖；I為清洗后的金剛石籽晶，2為清洗后的金屬鉬襯底圓片，3為等離子體，4為金屬鉬等離子體擋板，5為微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積儀器底座；
[0027]圖4為對(duì)比實(shí)驗(yàn)一未使用金屬鉬等離子體擋板的金剛石籽晶生長(zhǎng)形貌圖；
[0028]圖5為實(shí)施例一使用金屬鉬等離子體擋板制備的金剛石籽晶生長(zhǎng)形貌圖；
[0029]圖6為對(duì)比實(shí)驗(yàn)一未使用金屬鉬等離子體擋板的等離子體輔助化學(xué)氣相沉積儀器底座圖；
[0030]圖7為實(shí)施例一使用金屬鉬等離子體擋板的等離子體輔助化學(xué)氣相沉積儀器底座圖；
[0031]圖8為艙內(nèi)氣壓與等離子體密度關(guān)系曲線；
[0032]圖9為本發(fā)明金屬鉬等離子體擋板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖10為本發(fā)明金屬鉬等離子體擋板的側(cè)視圖；
[0034]圖11為本發(fā)明金屬鉬等離子體擋板的俯視圖；
[0035]圖12為本發(fā)明金屬鉬等離子體擋板的剖視圖；
[0036]圖13為對(duì)比實(shí)驗(yàn)一未使用金屬鉬等離子體擋板的金剛石籽晶生長(zhǎng)的拉曼光譜圖；
[0037]圖14為實(shí)施例一使用金屬鉬等離子體擋板的金剛石籽晶生長(zhǎng)的拉曼光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】之間的任意組合。
[0039]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1、9、10、11及12具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種利用等離子體擋板優(yōu)化單晶金剛石同質(zhì)外延