[發明專利]具有半導體性質Ⅱb型金剛石單晶的人工生長方法及裝置

在審

• 申請號: 201610005448.1
• 申請日: 2016-01-06
• 公開（公告）號: CN105603519A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發明（設計）人: 王篤福;王盛林;王希江;潘子明;王希瑋;徐昌
• 申請（專利權）人: 濟南中烏新材料有限公司
• 主分類號: C30B29/04
• 分類號: C30B29/04;C30B1/12
• 代理公司: 濟南日新專利代理事務所 37224
• 代理人: 王書剛

技術領域

本發明涉及一種HPHT(高溫高壓)條件下，以摻加硼的石墨為碳源，利用溫度梯度法生 長具有半導體性質的Ⅱb型大顆粒金剛石單晶的方法及裝置，屬于Ⅱb型金剛石單晶生長技術 領域。

背景技術

Ⅱb型金剛石是目前自然界已發現的最優的半導體材料，它的高導熱系數、高電子和空穴 遷移率、高介電擊穿場、低介電損耗和寬帶隙，是其它任何材料所不能比擬的。自然存在的具 有半導體性質的Ⅱb型金剛石非常稀有，以至于已公開的研究、技術或方法都是將自然存在相對 數量較大的或人工生長的Ⅱa型金剛石作為襯底材料，進行半導體晶片加工，所述的半導體晶 片加工是指電子束照射、步進器，硅或其它常用半導體的微結構中采用的其它此類技術。

中國專利文獻CN1840472B公開的《金剛石單晶襯底的制造方法和金剛石單晶襯底》， 是將HTHP方法生長的厘米級金剛石單晶機械加工后，按晶面和角度拼接以作為具有較大表面 積的金剛石種襯底，在金剛石種襯底上通過化學氣相沉積法外延生長具有較大表面積的金 剛石晶體，并將其作為襯底材料進行半導體晶片加工。日本專利文獻11-1392A公開的方法中半 導體金剛石的制造是由低折射率平面組成的金剛石單晶制作大表面積的金剛石襯底，通過 化學氣相沉積在該平面上同相外延生長金剛石，作為金剛石半導體的襯底材料。日本專利文獻 3-75298A公開的方法是通過處理具有基本上相互同相的晶體取向的許多高壓相物質，形成 其具有化學氣相生長的晶核作用的襯底，并通過化學氣相沉積在襯底上生長單晶，從而得到大 單晶。上述方法是基于人工HTHP方法生長的Ⅱa型金剛石單晶僅有厘米級，以其作為襯底很難 采用為直徑數英寸的晶片設計的加工裝置，以及難以克服后續的抗光蝕層涂覆步驟的外圍步驟 中遇到的困難。

上述CN1840472B公開的《金剛石單晶襯底的制造方法和金剛石單晶襯底》中描述的方 法雖然克服了兩個日本專利文獻所述方法中的一些缺陷，但其指導思想和半導體金剛石的制 備原理是一致的，都是先將多個較小表面積的單晶加工后拼接成具有較大表面積的晶體，以此 作為種襯底，再利用化學氣相沉積法在該種襯底上生長出較大表面積的金剛石晶體為襯底，進 行金剛石半導體晶片加工。采用上述化學氣相沉積法(CVD法)在金剛石晶體種襯底上生長具有 較大表面積的金剛石晶體，并以此金剛石晶體為襯底進行金剛石半導體晶片加工，雖然能夠適 合現有的半導體晶片的加工裝置，但在CVD法生長金剛石晶體時具有較大的困難。

(1)已公知的技術表明金剛石單晶各個晶面在相同的溫度、壓力條件下的生長速度是 不一致的，晶體的{100}面、{110}面、{111}面均具有最優的生長條件，在同一生長室內，極難分 別做到適應各個晶面具有相同生長速度的不同的生長環境，上述情況CN1840472B公開的《金剛 石單晶襯底的制造方法和金剛石單晶襯底》在具體實施方式中已經提到過，為解決相同條件下 不同晶面生長速度不同、導致金剛石晶體出現缺陷，影響半導體晶片加工的問題，該專利文獻對 作為種襯底的晶體的加工、拼接等提出了極為嚴格的條件。因此利用CVD法在金剛石晶體 種襯底上生長金剛石晶體時易因晶面的生長速度不同而生長出多晶或晶簇，滿足不了制備 金剛石半導體晶片的要求；

(2)因為上述原因，CVD法在金剛石晶體襯底上生長金剛石晶體時成品率低，生產成 本高昂。

發明內容

本發明針對現有金剛石單晶制備技術存在的不足，提供一種具有半導體性質Ⅱb型金剛 石單晶的人工生長方法，采用該方法能夠生產出粒徑大于10mm且具有半導體性質的Ⅱb型大 顆粒金剛石單晶體。同時提供一種實現該方法的裝置。

本發明的具有半導體性質Ⅱb型金剛石單晶的人工生長方法，是：

向作為碳源的石墨中摻加氮化硼,使金剛石晶體在生長過程中有硼原子摻雜，在高于石墨 與金屬觸媒共晶點溫度10℃-30℃以及壓力5.6GPa-5.9GPa的高溫高壓(HTHP)條件下，采用粒 徑0.5-1mm的Ⅰa型金剛石晶種的一個{100}面或{110}面作為生長面，將金剛石晶種置于金屬 觸媒的底部，利用溫度梯度法生長，溫度差20℃-40℃，晶體沿生長面逐漸長大。

所述氮化硼的摻加比例為質量百分比5-10％。

所述石墨是通過向320目的天然鱗片狀石墨中摻加氮化硼混合均勻后，在30-50MPa壓力 下壓制成型。