[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及优化单晶金刚石同质外延生长的方法。

背景技术

近年来，大尺寸单晶金刚石及准单晶金刚石由于其极高的硬度、超高的热导率、极宽的电磁透过频段、优异的抗辐照能力和耐腐蚀性能，在精密加工、高频通讯、航天宇航、尖端技术等高科技领域日渐成为基础、关键甚至唯一的材料解决方案。传统的人造单晶金刚石是采用高温高压(HPHT)法，该方法制备出的金刚石含杂质较多，缺陷密度较高，质量相对较差，且尺寸较小，与相关应用的需求相比相差甚远，导致HPHT金刚石适用范围较窄，在行业中处于下游，利润低，竞争力不强。

相比于HPHT法，微波等离子体辅助化学气相沉积(MWCVD)法是目前公认的制备大尺寸单晶金刚石的最佳方法之一，该方法制备的单晶金刚石具有杂质浓度低，透过波段宽，缺陷密度低，尺寸较大和生长速率可控等优点，被认为是最有希望成为未来大批量生产人造金刚石的方法。

该方法外延生长单晶金刚石时，金刚石籽晶表面与等离子体直接接触，而等离子体的密度，形态及与籽晶的接触方式都会对金刚石的生长产生影响。由于等离子体由原子氢与带有活性基团的原子碳构成，原子碳在沉积过程中以SP2键合与SP3键合两种形式随机进行，而原子氢对碳原子的SP2键的刻蚀作用较强，而对SP3键的刻蚀作用较弱，使得SP2键的非金刚石碳相被去除，而SP3键的金刚石相被保留。所以，若等离子体中原子氢的密度过低，将直接导致CVD单晶层中的SP2键含量增大，导致外延生长层的质量严重下降；而若原子氢密度过大，则会导致对SP3键的刻蚀作用过强，使得生长速率缓慢，生长质量也会有所下降。同时，由于金刚石籽晶的上表面为抛光的100晶面，在该表面外延生长的CVD单晶层质量较好，而侧表面未抛光，粗糙表面具有杂乱的晶面取向及宏观缺陷，很大程度上降低了单晶层的生长质量。同时，等离子体为椭球状，下部与金刚石籽晶直接接触，由于表面吸附作用，接触部分的等离子体会包裹金刚石籽晶，使得上表面与侧表面同时生长，而侧表面处等离子体浓度会略低于上表面，导致侧表面侧向生长区域的外延生长层质量远低于上表面。综上所述，控制等离子体密度及等离子体与籽晶的接触方式，对大尺寸优质单晶金刚石的生长起着至关重要的作用。

除此之外，在通常的CVD金刚石生长系统中，由于系统舱体的内部结构完全暴露在等离子体氛围下，使得被电离的碳原子活性基团极易附着和沉积在舱体内的所有裸露表面，在表面形成多晶金刚石、类金刚石及非晶碳相的混合物，这类物质有着较大的硬度与耐磨性，难以除去，会对舱体造成一定程度的污染。所以，控制等离子体的形态，对仪器设备的维护也有着不可忽视的作用。

发明内容

本发明要解决现有MWCVD生长系统中等离子体密度对籽晶生长质量的影响，等离子体形态与籽晶接触方式导致侧向生长区域质量较低，以及等离子体中碳源沉积污染舱体等问题，而提供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。

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，具体是按照以下步骤进行的：

一、清洗：将金刚石籽晶和金属钼衬底圆片进行清洗，得到清洗后的金刚石籽晶和清洗后的金属钼衬底圆片；

二、焊接：将清洗后的金刚石籽晶用金箔焊接在清洗后的金属钼衬底圆片上，得到固定在金属钼衬底圆片的金刚石籽晶；

三、放置样品：

将固定在金属钼衬底圆片的金刚石籽晶置于微波等离子体辅助化学气相沉积仪器的底座托盘中心；

四、放置等离子体挡板：

将金属钼等离子体挡板置于微波等离子体辅助化学气相沉积仪器的底座上，使固定在金属钼衬底圆片的金刚石籽晶处于金属钼等离子体挡板中心圆孔的正中心位置；

所述的金属钼等离子体挡板由圆环、连接壁及圆板组成，圆环的内沿通过连接壁与圆板的外沿相连接，圆板的中心位置设有中心圆孔；所述的圆环的内沿直径大于圆板的直径；所述的圆环的外沿直径与步骤一中所述的清洗后的金属钼衬底圆片的直径比为6:1；所述的圆板与步骤一中所述的清洗后的金属钼衬底圆片的直径比为5:1；所述的中心圆孔与步骤一中所述的清洗后的金属钼衬底圆片的直径比为1.5:1；

所述的金属钼等离子体挡板与步骤二中所述的固定在金属钼衬底圆片的金刚石籽晶的高度比为1:1；

五、生长前准备工作：