[發(fā)明專利]金剛石制造方法和DC等離子體增強CVD裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310337976.3
• 申請日: 2013-08-06
• 公開（公告）號: CN103572248A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發(fā)明（設計）人: 野口仁
• 申請（專利權）人: 信越化學工業(yè)株式會社
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/517
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 金曉

技術領域

本發(fā)明涉及用于制造金剛石的方法和用于金剛石制造的直流等離子體增強CVD裝置。

背景技術

金剛石具有5.47eV的寬帶隙和10MV/cm的非常高的介電擊穿電場強度。它的熱導率是材料中最高的。因此，金剛石可以有利地用于構造大功率電子設備。

此外，由于高漂移遷移率和Johnson品質因數(shù)，因此金剛石作為高速電子設備在半導體中是最有利的。Johnson品質因數(shù)表明設備中載流子遷移的速度，更高的品質因數(shù)對應于更高的遷移速度。因此，金剛石被認為是適用于高頻率/大功率電子設備的最終半導體。

對包括覆蓋有金剛石膜等的襯底的多層結構給予了關注。當前用于金剛石半導體制造的大多數(shù)單晶金剛石是通過高壓方法合成的Ib型金剛石。由于Ib型金剛石包含更多的氮雜質并且僅可以以大約5平方毫米左右的尺寸制造，因此它們具有很少的應用。

相反，化學氣相沉積（CVD）方法具有多晶金剛石可以制造為具有約6英尺（150mm）直徑的大面積和高純度的金剛石膜的優(yōu)點。然而，CVD方法難以合成適用于大多數(shù)電子設備的單晶金剛石。這是由于在本領域中單晶硅通常用作襯底。由于硅和金剛石的晶格常數(shù)有很大不同（52.6%的失配），因此很難在硅襯底上異質外延地生長金剛石。

為了克服此問題進行了努力。例如，非專利文件1和2報告說金剛石膜通過CVD方法有效地形成在鉑（Pt）或者銥（Ir）的底涂層上。目前，對銥的研究已經是相當深入的。方法涉及以下步驟：提供單晶MgO的襯底，在其上異質外延地生長銥膜，預處理Ir膜表面（即，通過DC等離子體增強CVD方法用氫稀釋的甲烷氣體實現(xiàn)偏置處理），以及在預處理的銥膜上沉積金剛石膜。獲得的金剛石具有從早期亞微米到目前若干毫米的尺寸。金剛石部分的厚度是從幾微米至約100微米（μm）。例如，在非專利文件3中，持續(xù)沉積8小時直到獲得大約100μm厚的金剛石膜。

然而，當在傳統(tǒng)DC等離子體增強CVD裝置中持續(xù)金剛石沉積幾小時或更久時，由于沉積的金剛石是絕緣體，因此電荷堆積在襯底表面上。異質襯底也形成在相對電極的表面上，從而導致電荷堆積。這種電荷堆積起到延遲金剛石生長速率的作用并且導致頻繁發(fā)生火花，從而導致在金剛石中引入缺陷和裂縫。

引用列表

專利文件1：JP-A2011-084411(US20110084285)

專利文件2：JP-A2010-159465(US20100178730）

非專利文件1：Y.Shintani,J.Mater.Res.,11,2955(1996)

非專利文件2：K.Ohtsuka,Jpn.J.Appl.Phys.,35,L1072(1996)

非專利文件3：S.Maeda,et?al,the18th?diamond?symposium?lecture?summary,pp.10-11(2004)

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供用于在維持金剛石生長的穩(wěn)定速率的同時制造優(yōu)質金剛石的方法，以及用于金剛石制造的DC等離子體增強CVD裝置。

在一個方面，本發(fā)明提供用于制造金剛石的方法，包括通過在用于固定襯底的平臺電極與電壓施加電極之間施加DC電壓的DC等離子體增強CVD方法，在襯底上從包括至少含碳氣體與氫氣的氣體混合物中生長金剛石的步驟。在通過施加DC電壓生長金剛石的步驟期間，以預定時序在平臺電極與電壓施加電極之間施加與用于金剛石生長的DC電壓極性相反的單脈沖電壓。

在優(yōu)選實施例中，在施加用于金剛石生長的步驟期間，平臺電極充當陽極以及電壓施加電極充當陰極。

在優(yōu)選實施例中，當平臺電極與電壓施加電極之間的充電電壓達到用于金剛石生長的DC電壓的至少1/3時，施加相反極性的單脈沖電壓。

在優(yōu)選實施例中，在高達每100μs1個脈沖的恒定周期內施加相反極性的單脈沖電壓。

在優(yōu)選實施例中，相反極性的單脈沖電壓具有對應于用于金剛石生長的DC電壓的1/30至1因數(shù)的值。

在另一個方面，本發(fā)明提供DC等離子體增強CVD裝置，包括真空室，用于固定襯底的平臺電極與設置在真空室中的電壓施加電極結合在一起，用于在平臺電極與電壓施加電極之間施加DC電壓的DC電源，用于在DC電源的輸出電壓上疊加脈沖電壓的脈沖電壓疊加單元，以及用于將反應性氣體注入真空室中的進給工具，其中通過在平臺電極與電壓施加電極之間施加DC電壓在襯底上生長金剛石，并且在金剛石生長期間以預定時序實現(xiàn)電壓控制，從而在平臺電極與電壓施加電極之間施加與用于金剛石生長的DC電壓極性相反的單脈沖電壓。