亚微米级金刚石薄膜的化学气相沉积方法及装置与流程

本发明涉及一种用于制备亚微米级金刚石薄膜的装置，进行纳米级粗糙度表面的亚微米级金刚石单晶或多晶外延制备，以用于制备半导体器件，属于金刚石同质或异质外延生长技术领域。

背景技术：

金刚石具有超高的硬度、高热导率、高热学稳定性与5.47ev的禁带宽度且广域透光等出色的物理化学性能，一直备受各领域的关注，被称为“终极半导体材料”。目前半导体器件用的金刚石单晶主要靠硼、磷等元素进行掺杂或表面氢原子终端来实现材料导电。其中元素掺杂的技术还有大量掺杂浓度、激活与电阻率较高等科学技术问题需要解决。而氢原子终端已经可以实现低载流子密度的电学传导。近20年来，各国科学家都针对于不同金刚石单晶衬底质量、不同氢终端接触、氢终端表面处理对于后续半导体器件的影响做出了大量的研究。金刚石表面碳原子悬挂键连接氢原子形成氢终端后表现出负电子亲和势，使得金刚石表面产生电荷极化效应，导致表面附近的碳原子产生能带弯曲形成二维空穴气(2dhg)实现表界面导电。因此非掺杂本征金刚石基半导体器件仅适用金刚石表界面形成电学完成空穴传输。

目前微波等离子体化学气相沉积是制备高质量金刚石单晶体材料与多晶薄膜的方法。该种设备可以进行大尺寸金刚石同质与异质外延的高速沉积生长，是目前合成金刚石珠宝领域、金刚石镀层等非常重要的设备。该类型的设备使用微波作为激发源激发氢气与甲烷形成等离子体辉光，在几千度高温下将甲烷裂解成为自由碳基团与多种离子。通过随后尝试的自由碳活性基团吸附在生长衬底的表面，形成碳元素的沉积。在这个过程中，等离子体既实现了金刚石生长原材料的制备，又为自由碳基团的稳定传输提供驱动力。传统的珠宝领域金刚石材料的制备，研究人员均将工艺优化重心放在金刚石生长速率的提升与晶体质量的平衡上。目前微量氮元素掺杂的金刚石单晶生长已可以达到100μm/h以上。

然而对于非掺杂本征半导体器件用途的金刚石材料制备而言，外延层厚度仅需要10μm以下即可实现氢终端的界面导电效应。并且金刚石层厚度太大还容易额外引入生长缺陷与非金刚石杂质相。同时超薄的金刚石层外延厚度也使得后续的表面加工成为最大的难点。

因此对于半导体器件用金刚石外延薄膜的制备，更重要的是在限制金刚石单晶层厚度的情况下保证金刚石层的晶体质量与各位置的生长速率均匀性。因此必须降低金刚石外延层的生长速率并有效控制全片生长速率的有效来实现大面积高质量低厚度的金刚石单晶薄膜制备。

现有化学气相沉积金刚石薄膜在生长过程中，存在籽晶衬底的生长钼垫盘调整性不足，生长垫盘无法自加热的问题，不能减少与等离子体之间的温差，降低温度梯度，也无法调节生长速率提高晶体质量。

技术实现要素：

本发明针对现有化学气相沉积金刚石薄膜在生长过程中存在的籽晶生长垫盘调整性不足、垫盘无法自加热，晶体质量有待提高的问题，提供一种薄膜沉积效率高、明显改善沉积薄膜质量的亚微米级金刚石薄膜的微波等离子体化学气相沉积装置。该装置可直接制备高精度超薄高质量的金刚石单晶材料，制备完成后可直接满足半导体器件制备的应用要求。

本发明的亚微米级金刚石薄膜的微波等离子体化学气相沉积方法，是：

将籽晶衬底放置在垫盘上，垫盘处于mpcvd(微波等离子体化学气相沉积)设备的生长腔室内，调节生长腔室内压力为5～300torr，运行微波源，调节微波功率为0.5kw～10kw，调节垫盘温度为600～1400℃，使籽晶生长速率为0.1-100μm/h；随着籽晶衬底的升高，调节垫盘处在生长所需高度。

实现上述方法的亚微米级金刚石薄膜的微波等离子体化学气相沉积装置，采用以下技术方案：

该装置，包括垫盘、托盘、石英窗和垫盘运动机构，垫盘、托盘、冷却盘和石英窗由上至下依次设置，垫盘连接在垫盘运动机构的动力输出端；垫盘内设置有加热装置，垫盘运动机构带动垫盘升降和/或旋转。

所述加热装置包括加热块，加热块下方设置有电热阻丝，电热阻丝连接温控仪，温控仪控制电热阻丝发热，使垫盘温度调控为600～1400℃，控制精度为0.1℃。

所述冷却盘内设置有冷却水循环管路，冷却水循环管路中冷却水流量大于30l/min，冷却循环水温度为10～30℃(最佳为20～25℃)。

所述垫盘运动机构带动垫盘旋转的速度为0.1-360°/h，带动垫盘升降的速率为0.1～1000μm/h。所述垫盘高度的调控范围为0～20mm，调控精度为0.1μm。

所述垫盘运动机构，包括支架、升降转轴、升降机构和旋转机构，升降机构和旋转机构均设置在支架上，升降转轴连接在升降机构上并与旋转机构连接。所述垫盘连接在升降转轴的顶端。

所述升降机构包括升降电机、升降主动齿轮、升降被动齿轮和螺杆，升降电机固定安装在所述支架上，升降主动齿轮安装在升降电机的转轴上，升降被动齿轮与升降主动齿轮啮合并通过升降轴承座安装在支架上，螺杆与升降被动齿轮通过螺纹连接。所述螺杆上端通过轴承安装所述升降转轴。所述螺杆上带有轴向的定位槽，定位槽中设置有定位销，定位销固定在支架上。升降电机通过齿轮传动使升降被动齿轮转动，转动的升降被动齿轮通过螺纹传动带动螺杆及升降转轴升降。

所述旋转机构包括旋转电机、旋转主动齿轮和旋转被动齿轮，旋转电机固定安装在所述支架上，旋转主动齿轮安装在旋转电机的转轴上，旋转被动齿轮与旋转主动齿轮啮合并通过旋转轴承座安装在支架上，旋转被动齿轮通过滑键连接在所述升降转轴上。滑键连接可使所述升降转轴既可在旋转被动齿轮内轴向移动，又可通过旋转被动齿轮的带动实现转动。

所述石英窗为微波出射窗口，微波功率调节范围为0.5kw～10kw，可使用的微波源的频率为2450mhz或915mhz。

将上述装置固定放置在mpcvd(微波等离子体化学气相沉积)生长腔室内，将籽晶衬底放置在垫盘居中位置处，调节腔室压力为5～300torr，运行冷却水循环管路，将冷却水温设置为10～30℃，通入按比例混合之后的生长气氛，运行微波源，调节微波功率为0.5kw～10kw，调节垫盘温度为600～1400℃，籽晶生长速率为0.1-100μm/h。随着生长过程推进，籽晶衬底的高度不断升高，通过垫盘运动机构带动垫盘升起，调节垫盘处在生长所需要的适合高度。

上述装置通过调节垫盘生长高度、使垫盘在所需高度旋转以及加热垫盘的方式提高薄膜沉积效率，控制薄膜沉积速率，优化各外延区域的沉积速率，实现亚微米级金刚石薄膜的可控生长，明显改善沉积薄膜质量。相对与现有技术，本发明的有益效果：

1.本发明可有效提升晶体生长效率，随着生长过程中籽晶衬底高度的升高动态调节钼制垫盘的高度并同时按一定速度旋转，减少因更换不同高度垫盘而不必要的开机且能延长设备使用寿命，并能保证同一籽晶衬底的生长延续性与均匀性，对于晶体质量也有很好的保证。

2.本发明可通过温控仪、电热阻丝、加热块共同作用加热垫盘的方式减少籽晶衬底与微波等离子体之间的温差降低温度梯度，同时也可降低微波运行功率限制生长速率，同时保证籽晶衬底的表面温度，以此来优化晶体生长质量。这种运行方式实现了将生长腔室内部的温度场与自由碳基团浓度场进行了有效的分离，可实现低微波功率的有效生长，外延金刚石实现亚微米级生长速率可控。

3.本发明结构设计相对简单，对设备操作人员要求比较高需长期积累操作经验，可以有效的满足工业化生产的使用，为工业生产和实验室生长研究提供了优质可靠的解决方案。

附图说明

图1是本发明中亚微米级金刚石薄膜的化学气相沉积装置的结构示意图。

图2是本发明中垫盘运动机构的结构示意图。

图3是本发明装置生长的金刚石单晶体材料样品图片。

图4是本发明装置生长的晶体样品表面的拉曼光谱1332.5cm^-1特征峰测试结果。

其中：1.微波等离子体，2.金刚石单晶衬底，3.钼制垫盘，4.加热块，5.电热阻丝，6.钼制托盘，7.冷却空腔，8.冷却盘，9.石英窗，10.升降转轴，11.温控仪，12.控制器，13.垫盘运动机构，14.进水管路，15.回水管路，16.冷却水流量控制器；

17.旋转被动齿轮，18.旋转主动齿轮，19.旋转电机，20.螺杆，21.升降电机，22.升降轴承座，23.升降主动齿轮，24.升降被动齿轮，25.轴承，26.旋转轴承座，27.支架，28.定位槽，29.定位销。

具体实施方式

本发明的装置设置于微波等离子体化学气相沉积设备中，在微波等离子体1的作用下，制备半导体器件亚微米级金刚石薄膜，其结构如图1所示，包括垫盘3、托盘6、石英窗9和垫盘运动机构13。垫盘3和托盘6均为钼制，垫盘3、托盘6、冷却盘8和石英窗9由上至下依次设置，垫盘3自然水平的居中放置在托盘6上，托盘6自然水平的放置在冷却盘8上。冷却盘8为铜制盘，设置在石英窗9上。托盘6、冷却盘8和石英窗9的中心都带有通孔，垫盘运动机构中的升降轴10穿过这些通孔与垫盘3连接，相应的线路和管路也由这些通孔穿过。

垫盘3内置加热块4，加热块4为氧化锆陶瓷材料制成，加热块4下方均匀分布有电热阻丝5，电热阻丝5通电发热，使加热块4升温，电热阻丝5的控制线路经托盘6、铜盘8和石英窗9的中心通孔连接温控仪11。开机运行时根据沉积工艺参数通过温控仪11设定所需温度，温控仪11根据所设定温度控制电热阻丝5发热。加热块4再将热量均匀的传导到垫盘3，达到所设温度。温度调控范围为600～1400℃，控制精度为0.1℃。通过在垫盘3内设置加热装置，降低了垫盘3与等离子体1之间的温差，降低温度梯度，以此来调控沉积速率，提高薄膜质量。

冷却盘8作为铜盘，为托盘6、冷却盘8和石英窗9等部件冷却降温。冷却盘8内带有冷却空腔7，冷却空腔7连接进水管路14和回水管路15，进水管路14和回水管路15经冷却盘8和石英窗9的中心通孔与冷却水流量控制器14相连接。冷却水流量控制器14控制冷却水流量大于30l/min，使冷却循环水温度调节为20～25℃。冷却水流量控制器14可以采用流量泵或控制阀。

垫盘运动机构13用于带动垫盘3升降与旋转，其结构如图2所示，包括支架27、升降转轴10、升降机构和旋转机构，升降机构和旋转机构均设置在支架27上，升降转轴10连接在升降机构上并与旋转机构连接。升降机构包括升降电机21、升降主动齿轮23、升降被动齿轮24和螺杆20，升降电机21固定安装在支架27上，升降主动齿轮23安装在升降电机21的转轴上，升降被动齿轮24与升降主动齿轮23啮合并通过轴承安装在升降轴承座22上，升降轴承座22固定在支架27上，升降被动齿轮24中心带有螺纹孔，螺杆20连接在升降被动齿轮24的螺纹孔中，螺杆20上带有轴向的定位槽28，定位槽28中设置有定位销29，定位销29固定在支架27上，螺杆20上带有轴向的定位槽28，定位销29与定位槽28相配合，防止螺杆20升降时转动，使螺杆20在升降被动齿轮24带动下只升降而不转动。升降电机21通过齿轮的啮合传动使升降被动齿轮24转动，转动的升降被动齿轮24通过螺纹传动带动螺杆20做直线运动，实现螺杆20的升降。

升降转轴10的下端通过轴承25安装在螺杆20的上部，轴承25为组合轴承，包括推力轴承，以在转动时承受升降转轴10的轴向力。升降转轴10可随螺杆20一起升降，并可实现自身转动。

旋转机构包括旋转电机19、旋转主动齿轮18和旋转被动齿轮17。旋转电机19固定安装在支架27上，旋转主动齿轮18安装在旋转电机19的转轴上，旋转被动齿轮17与旋转主动齿轮18啮合并通过轴承安装在旋转轴承座26上，旋转轴承座26固定在支架27上。旋转被动齿轮17的中心带有滑键孔，旋转被动齿轮17通过滑键安装在升降转轴10上，升降转轴10可在旋转被动齿轮17内通过滑键导向上下移动。当螺杆20带动升降转轴10升降到所需位置时，旋转电机19通过齿轮的啮合传动使旋转被动齿轮17转动，转动的旋转被动齿轮17通过滑键连接带动升降转轴10转动。

旋转电机19和升降电机21采用步进电机，其控制电路均连接至控制器12，控制器12可采用现有的可编程控制器(plc)。

将垫盘3所需的高度参数输入控制器13，控制器13根据输入的高度参数控制升降电机21转数，升降电机21通过齿轮传动带动螺杆20升降，升降转轴10随螺杆20一起升降，垫盘3跟随升降转轴10移动，实现高度调节，垫盘3的高度调控范围为0～20mm，控制精度为0.01mm。垫盘3处于所需高度后，控制器12控制升降电机21关闭，启动旋转电机12，并控制旋转电机12的转速，旋转电机12带动升降转转轴10旋转。

应用上述装置在10mm*10mm金刚石单晶衬底2上沉积金刚石薄膜的过程，如下所述：

通过支架27将整个垫盘运动机构13固定于在mpcvd设备的生长腔室内，将10mm*10mm金刚石单晶衬底2居中放置在垫盘3上，调节生长腔室压力为5～300torr，运行冷却水管路，将冷却循环水温度设置为20～25℃。通入按生长工艺参数比例混合之后的生长气氛，运行外部微波源，微波通过外部通路穿过石英窗9传入生长腔室，调节微波功率为0.5kw～10kw，使用的微波源的频率为2450mhz或915mhz。通过温控仪11调控温度，将垫盘3的温度控制在600～1400℃。随着沉积过程的不断推进金刚石单晶衬底2(籽晶衬底)的高度不断升高，此时通过控制器13控制旋转电机12和升降电机21运转，使升降轴10升起并同时旋转，从而调节钼制垫盘3处在沉积所需要的适合高度，延续沉积过程并保证薄膜沉积均匀性。

应用上述装置成功生长了金刚石单晶体材料。图3是本发明上述装置生长的金刚石单晶体材料样品图片，图4给出了生长的晶体样品表面的拉曼光谱1332.5cm^-1特征峰测试结果。