CN107675249B - 单晶金刚石的扩径生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单晶金刚石有效扩径生长方法，其生长步骤是：1)选择八边形的高温高压金刚石衬底，衬底侧面采用相互交替的{100}晶面和{110}晶面；2)将钼托放置在反应室内，在钼托上面放置金箔，将衬底放置在金箔上，对反应室抽真空，再将衬底在反应室内加热直到金箔熔化，将金刚石衬底焊接到钼托上；3)在反应室的生长台上放置钨丝，将焊接了衬底的钼托放置在钨丝上对衬底进行表面缺陷和损伤刻蚀预处理；4)控制反应室压力，温度，微波功率，甲烷浓度及生长时间，在预处理后的衬底上生长厚度为0.5‑2.5mm的单晶金刚石外延膜。本发明减少了外延膜中多晶的含量，保证了扩径的有效性，可用于金刚石场效应晶体管的制作。

Description

单晶金刚石的扩径生长方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种单晶金刚石的生长方法，可用于各种金刚石半导体器件的制作。
技术背景
金刚石作为宽禁带半导体材料，具有许多独特的物理特性，如高热导性，高硬度，高载流子迁移率，是制作电力电子器件和探测器的理想材料，可用于高温、高功率和强辐射的恶劣环境中。为了实现金刚石器件的大规模生产，需要通过同质外延或异质外延制方法备出大尺寸的金刚石单晶外延膜。由于采用同质外延可以保证生长的金刚石单晶具有高的结晶质量，故目前微波等离子体化学气相沉积MPCVD同质外延金刚石是生长大尺寸高品质单晶金刚石最有效的方法之一。
在尺寸较小的单晶金刚石衬底上实现单晶外延膜扩径生长是获得大尺寸金刚石薄膜的重要方法之一。然而，在(001)金刚石外延膜生长过程中，横向和纵向生长同时存在，如果在外延膜侧面边角处出现单晶生长速率非常慢且极易形成孪晶等缺陷的(113)晶面，继续生长则会出现多晶，阻碍单晶外延膜上表面的扩径生长。Tallaire等人报告了单晶金刚石外延膜的扩径生长和衬底侧面晶向对外延膜宏观几何形状的影响，参见Growth oflarge size diamond single crystals by plasma assisted chemical vapourdeposition:Recent achievements and remaining challenges,C.R.Physique 14(2013)169–184。在该方案中，由于采用正方形的金刚石衬底，会出现以下问题：
1.对于采用四个侧面都为(100)晶面的正方形衬底，其上生长的外延膜容易在四个角出现(113)晶面，阻碍单晶外延膜上表面的有效扩径；
2.对于采用四个侧面都为(110)晶面的正方形衬底，其上生长的外延膜容易在四个边出现(113)晶面，阻碍单晶外延膜上表面的有效扩径。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种单晶金刚石的扩径生长方法，以降低生长单晶外延膜过程中(113)晶面出现的概率，减少多晶的出现，提高单晶外延膜的生长效率。
为实现上述目的本发明的技术方案包括如下：
1)选择八边形的HTHP金刚石为衬底，衬底的上表面为(001)晶面、侧表面为相互交替的{100}晶面与{110}晶面；
2)在钼托上面放置金箔，将所选的衬底放置在金箔上，对MPCVD反应室进行抽真空至真空度值低于10-6mbar，将衬底在反应室内加热到1250℃以上，使金箔熔化，将金刚石衬底焊接到钼托上；
3)在反应室的生长台上放置钨丝，将焊接了衬底的钼托放置在钨丝上对衬底进行氢等离子体刻蚀掉衬底表面的缺陷和抛光损伤的预处理；
4)在预处理后的衬底上采取特定的生长工艺条件生长金刚石外延膜，即控制反应室压力为200-370mbar，反应室温度为830-970℃，保持外延膜表面温度起伏不超过15℃，设置微波功率为2500-5500W，甲烷浓度为2-8％，生长时间为20-100h，制备出厚度为0.5-2.5mm的单晶金刚石外延膜。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明由于采用八边形的HTHP金刚石为衬底，并对衬底的侧面晶面进行了选择，减少生长过程中(113)晶面的出现的概率，进而减少了外延膜中多晶的含量，实现单晶金刚石的有效扩径生长。
2.操作简单，不需要增设复杂的工艺设备。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明中选用的HPHT金刚石衬底结构示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明金刚石有效扩径生长方法，给出如下三种实施例：
实施例1，基于八边形HPHT金刚石衬底生长厚度为0.5mm的(001)晶面的金刚石外延膜。
步骤1，选择衬底。
参照图2，本实例选择八边形高温高压HTHP金刚石作为衬底，衬底上表面为(001)晶面，侧表面为{100}晶面与{110}晶面相间，即a面、c面、e面和g面为{100}晶面，b面、d面、f面和h面为{110}晶面。
步骤2，将金刚石衬底焊接到钼托上。
将钼托置于MPCVD反应室内，将25μm厚的金箔置于钼托上，再将所选的高温高压HPHT金刚石衬底置于金箔上；
将反应室抽真空到真空度值小于10-6mbar，将衬底在反应室内加热直到金箔熔化，使金刚石衬底焊接到钼托上。
步骤3，将直径为150μm钨丝放置于MPCVD反应室的生长台上，再将焊接了衬底的钼托放置在钨丝上面。
步骤4，对金刚石衬底进行表面缺陷和损伤的刻蚀预处理。
将反应室真空度抽到真空度值小于10-6mbar，设置反应室压力为200mbar，反应室温度为700℃，微波功率为2500W，通入流量为200sccm的氢气和浓度为1％的氧气，达到以上条件后保持10min，实现对衬底的表面缺陷和损伤的刻蚀预处理。
步骤5，在预处理后的衬底上进行金刚石外延膜的生长。
控制反应室压力为200mbar，反应室温度为830℃，微波功率为2500W，甲烷浓度为2％，在金刚石上生长外延膜；
在生长过程中外延膜表面温度随冷却水温度变化而变化，变化范围为15℃，在此条件下生长20h，制备出厚度为0.5mm金刚石外延膜。
实施例2，基于八边形HPHT金刚石衬底生长厚度为1.2mm的(001)晶面的金刚石外延膜。
步骤A，选择衬底。
本步骤的具体实现与实例1的步骤1相同。
步骤B，将金刚石焊接到钼托上。
在MPCVD反应室内放置钼托，在钼托上面放置50μm厚的金箔，将所选的高温高压HPHT金刚石衬底放置在金箔上，对反应室抽真空，使反应室真空度值小于10-6mbar，在反应室内加热衬底直至金箔熔化，将金刚石衬底焊接到钼托上。
步骤C，在MPCVD反应室生长台上放置直径为200μm钨丝，将焊接了衬底的钼托放置在钨丝上面。
步骤D，对金刚石衬底进行生长前的表面缺陷和损伤的刻蚀预处理。
将反应室真空度抽到真空度值小于10-6mbar，设置反应室压力为300mbar，反应室温度为800℃，微波功率为3000W，通入流量为400sccm的氢气和浓度为2％的氧气，达到以上条件后保持30min，实现对衬底的表面缺陷和损伤的刻蚀预处理。
步骤E，在预处理后的衬底上进行金刚石外延膜生长。
控制反应室压力为300mbar，反应室温度为900℃，微波功率为4000W，甲烷浓度为5％，在金刚石上生长外延膜；
在生长过程中外延膜表面温度随冷却水温度变化而变化，变化范围为15℃，在此条件下生长50h，制备出厚度为1.2mm金刚石外延膜。
实施例3，基于八边形HPHT金刚石衬底生长厚度为2.5mm的(001)晶面的金刚石外延膜。
本实例的实现步骤如下：
步骤一，选择衬底。
本步骤的具体实现与实例1的步骤1相同。
步骤二，将钼托放置在MPCVD反应室内，将金箔放置在钼托上，再将所选的高温高压HPHT金刚石衬底放置在金箔上。对MPCVD反应室抽真空后，对衬底进行加热处理直至金箔融化，将金刚石衬底焊接到钼托上，其中：
金箔厚度为100μm；
反应室初始真空度值小于10-6mbar；
步骤三，在MPCVD反应室生长台上放置直径为250μm钨丝，再将焊接了衬底的钼托放置在钨丝上面。
步骤四，对反应室进行抽真空处理后，向反应室通入氢气和氧气，加热衬底，实现对衬底的表面缺陷和损伤的刻蚀预处理。其工艺条件为：
反应室初始真空度值小于10-6mbar；
反应室温度为860℃；
反应室压力为350mbar；
氢气流量为600sccm；
氧气浓度为3％；
微波功率为3500W；
预处理时间为50min。
步骤五，在表面缺陷和损伤的刻蚀预处理后的衬底上生长2.5mm金刚石，其工艺条件为：
反应室压力为370mbar；
生长温度为970℃；
微波功率为5500W；
甲烷浓度为8％；
生长时间为100h；
生长过程中外延膜表面温度随冷却水温度变化而变化，变化范围为15℃。

Claims (3)

1.一种单晶金刚石的扩径生长方法，其特征在于，包括：
1)选择八边形的HTHP金刚石为衬底，衬底的上表面为(001)晶面、侧表面为相互交替的{100}晶面与{110}晶面；
2)在钼托上面放置金箔，将所选的衬底放置在金箔上，对MPCVD反应室进行抽真空至真空度值低于10-6mbar，将衬底在反应室内加热到1250℃以上，使金箔熔化，将金刚石衬底焊接到钼托上；
3)在反应室的生长台上放置钨丝，将焊接了衬底的钼托放置在钨丝上对衬底进行氢等离子体刻蚀掉衬底表面的缺陷和抛光损伤的预处理；所述预处理的工艺条件如下：
将反应室真空度抽到真空度值小于10-6mbar，
控制反应室压力为200-350mbar，
设置反应室温度为700-860℃，
设置微波功率为2500-3500W，
通入氢气流量为200-600sccm，
通入氧气浓度为1％-3％，
预处理时间为10-50min；
4)在预处理后的衬底上生长金刚石外延膜，即控制反应室压力为200-370mbar，反应室温度为830-970℃，保持外延膜表面温度起伏不超过15℃，设置微波功率为2500-5500W，甲烷浓度为2-8％，生长时间为20-100h，制备出厚度为0.5-2.5mm的单晶金刚石外延膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在钼托上放置的金箔厚度为25-100μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，MPCVD反应室生长台上放置的钨丝直径为150-250μm。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108315816B (zh) * 2018-04-19 2019-06-25 武汉大学 单晶金刚石生长方法和装置
CN109161964A (zh) * 2018-09-30 2019-01-08 济南中乌新材料有限公司 一种大尺寸cvd金刚石晶体的制备方法
CN109371463A (zh) * 2018-11-27 2019-02-22 西安碳星半导体科技有限公司 一种cvd金刚石晶种的衬底选择方法
CN110042464A (zh) * 2019-04-02 2019-07-23 西安电子科技大学 一种多片单晶金刚石同时扩径生长的方法
CN111943191B (zh) * 2020-08-04 2022-08-23 西安电子科技大学芜湖研究院 一种基于金刚石生长的plc工艺气体控制方法
CN112391680A (zh) * 2020-11-16 2021-02-23 物生生物科技(北京)有限公司 一种用于大尺寸单晶金刚石拼接生长工艺
CN113584580B (zh) * 2021-08-05 2022-08-19 北京大学东莞光电研究院 金刚石圆片径向生长方法及装置
CN115198358B (zh) * 2022-06-29 2023-08-22 中南钻石有限公司 一种大尺寸hpht金刚石单晶片同质外延生长方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1681976A (zh) * 2002-09-20 2005-10-12 六号元素有限公司 单晶金刚石
CN1840472A (zh) * 2005-03-28 2006-10-04 住友电气工业株式会社 金刚石单晶衬底的制造方法和金刚石单晶衬底
CN101657253A (zh) * 2007-03-08 2010-02-24 六号元素有限公司 大的单晶金刚石
CN102959138A (zh) * 2009-12-21 2013-03-06 六号元素有限公司 单晶金刚石材料
CN104541364A (zh) * 2012-08-17 2015-04-22 独立行政法人产业技术综合研究所 金刚石半导体装置及其制造方法
CN104775154A (zh) * 2015-04-25 2015-07-15 哈尔滨工业大学 一种同质外延生长单晶金刚石时控制表面温度的方法
CN104878447A (zh) * 2015-06-04 2015-09-02 哈尔滨工业大学 一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底原位连接方法
CN104988578A (zh) * 2015-07-24 2015-10-21 哈尔滨工业大学 一种利用等离子体挡板优化单晶金刚石同质外延生长的方法
CN106012003A (zh) * 2016-06-07 2016-10-12 武汉工程大学 Cvd单晶金刚石的二维扩大方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1681976A (zh) * 2002-09-20 2005-10-12 六号元素有限公司 单晶金刚石
CN1840472A (zh) * 2005-03-28 2006-10-04 住友电气工业株式会社 金刚石单晶衬底的制造方法和金刚石单晶衬底
CN101657253A (zh) * 2007-03-08 2010-02-24 六号元素有限公司 大的单晶金刚石
CN102959138A (zh) * 2009-12-21 2013-03-06 六号元素有限公司 单晶金刚石材料
CN104541364A (zh) * 2012-08-17 2015-04-22 独立行政法人产业技术综合研究所 金刚石半导体装置及其制造方法
CN104775154A (zh) * 2015-04-25 2015-07-15 哈尔滨工业大学 一种同质外延生长单晶金刚石时控制表面温度的方法
CN104878447A (zh) * 2015-06-04 2015-09-02 哈尔滨工业大学 一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底原位连接方法
CN104988578A (zh) * 2015-07-24 2015-10-21 哈尔滨工业大学 一种利用等离子体挡板优化单晶金刚石同质外延生长的方法
CN106012003A (zh) * 2016-06-07 2016-10-12 武汉工程大学 Cvd单晶金刚石的二维扩大方法

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