[發明專利]制備單晶金剛石的馬賽克拼接裝置及沉積方法

在審

• 申請號: 202111373766.0
• 申請日: 2021-11-18
• 公開（公告）號: CN114032610A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 曹振忠;王希瑋;徐昌;王篤福;王盛林;劉長江
• 申請（專利權）人: 濟南金剛石科技有限公司
• 主分類號: C30B25/12
• 分類號: C30B25/12;C30B25/02;C30B33/06;C30B29/04
• 代理公司: 濟南日新專利代理事務所(普通合伙) 37224
• 代理人: 王書剛

一種制備單晶金剛石的馬賽克拼接裝置及方法，該裝置包括基片、外環、壓縮彈簧和固定塊；外環連接在基片上，外環中設置有貫穿的測溫孔，基片上在外環內分布有固定塊和壓縮彈簧，基片上在外環內分布有固定塊和壓縮彈簧，壓縮彈簧處于固定塊與外環內壁之間。上述裝置制備單晶金剛石的方法是將整個裝置置于生長腔室內，通過壓縮彈簧將各單晶襯底片擠壓在各個固定塊之間，處于外環的中心位置。本發明通過壓縮彈簧同時均勻的向內擠壓單晶襯底片，使襯底片之間接觸更加緊密，使襯底片更好的接觸基片，排除了異物干擾，保證了襯底片的高度統一，同時也避免了對單晶襯底片的污染，消除了拼接縫出現邊緣多晶的現象，明顯改善了晶體質量。

技術領域

本發明涉及一種通過金剛石單晶襯底的馬賽克拼接并通過微波等離子體化學氣相沉積制備大尺寸半導體器件級單晶金剛石的裝置，屬于金剛石單晶馬賽克拼接同質外延技術領域。

背景技術

MPCVD金剛石單晶生長技術已經能夠為后續半導體產業提供高質量的單晶金剛石材料，但是受制于高質量金剛石單晶襯底的尺寸與外延生長機理的限制，CVD金剛石的側向外延能力較弱且容易產生大量的邊緣多晶。相比于GaN、SiC等第三代半導體材料而言，金剛石單晶生長尺寸是限制其后續應用的最大障礙。

為了提高金剛石單晶片的尺寸，目前科學界提出了兩條工藝路線：

1.異質外延路線

該路線通過使用高質量英寸級尺寸的硅晶片等作為襯底，使用MPCVD進行高質量金剛石膜的沉積，通過控制生長工藝，使沉積的晶粒間逐漸相互融合，完成多晶向單晶的轉化。

2.馬賽克拼接法

該方法使用金剛石單晶片進行緊密拼接成為大尺寸襯底在MPCVD設備中進行沉積，通過各片之間的側向外延進行接縫處的連接完成大尺寸MPCVD同質外延金剛石單晶的制備，馬賽克拼接法主要集中在單晶襯底質量與晶向的控制以及側向外延技術上。

現有馬賽克拼接方式與沉積結構主要為，選取大尺寸高質量金剛石單晶襯底，多為5*5～10*10的尺寸，在襯底背面點狀涂抹石墨膠后以田字形2X2矩陣排列的方式緊密拼接粘連在對應尺寸的鉬制生長基片上，然后整體放置于MPCVD生長腔室內運行生長。

但是，現有馬賽克的拼接方式與沉積結構在金剛石薄膜沉積的過程中很容易出現襯底粘連拼接不夠緊密，存在錯位，襯底片之間存在一定的高低差，拼接縫出現邊緣多晶的現象，嚴重影響了晶體質量，由此導致在后續的加工中極易出現襯底拼接縫開裂，晶體斷裂的現象，無法滿足使用要求。

發明內容

本發明針對現有馬賽克的拼接方式與生長結構在金剛石薄膜沉積的過程中很容易出現襯底粘連拼接不緊密、存在錯位、襯底片之間存在一定的高低差、拼接縫出現邊緣多晶等諸多問題，提供一種連接緊密無錯位，能夠有效降低襯底片之間存在的高低差、消除拼接縫邊緣多晶的制備單晶金剛石的馬賽克拼接裝置及其沉積方法，該裝置可直接制備高精度大尺寸MPCVD金剛石單晶，制備完成后可直接滿足半導體器件制備的應用要求。

本發明的制備單晶金剛石的馬賽克拼接裝置，采用以下技術方案：

該裝置，包括基片、外環、壓縮彈簧和固定塊；外環連接在基片上，外環中設置有貫穿的測溫孔，基片上在外環內分布有固定塊和壓縮彈簧，基片上在外環內分布有固定塊和壓縮彈簧，壓縮彈簧處于固定塊與外環內壁之間。

所述外環與基片為鉬制結構。

所述外環與基片為一體結構。

所述壓縮彈簧的一端固定連接在固定塊上。

所述壓縮彈簧自然狀態下最大尺寸為10mm，彈性范圍為0～6mm，可根據晶體制備要求選擇不同規格。

所述固定塊的長度為3～15mm，高度為3mm，可根據晶體制備要求選擇不同規格。