[发明专利]单晶硅上大面积(100)取向的金刚石膜的生长方法

说明书

本发明属金刚石膜的制备方法，特别涉及一种单晶硅上(100)取向金刚石膜的生长方法。

(100)取向的金刚石膜是指金刚石膜内的晶粒显露出正方形的(100)面。这种金刚石膜由于膜内金刚石晶粒的排布具有一定的有序性，使得金刚石膜内的晶界密度和缺陷密度很低，所以制得的这种金刚石膜具有热导率高、电导率低、杂质少等特点，更接近天然金刚石单晶的水平，有利于金刚石膜在制作高可靠性电子器件和光学窗口等方面的应用。

与本发明最为接近的(100)取向金刚石膜的生长方法是一篇文献，题目为″(100)Si上的金刚石异质外延生长″(Heteroepi taxialdiamond growth on(100)silicon)，载“Diamond and RelatedMaterials，2(1993)1112～1113。其主要工艺过程为：选用(100)的硅单晶为衬底，其表面抛光或不处理；在衬底表面形成SiC的过渡层，采用微波制备金刚石膜技术，在衬底上施加正偏压，实现(100)金刚石膜的定向生长。在制备过程中，以H₂(流量500ml/min)、CH₄(流量2～5ml/min)为反应气体，控制压力15～20tarr，衬底温度700～900℃，所加正偏压的电流密度为0.5～1A/cm²。使用SiC过渡层，加正偏压方法实现金刚石膜定向生长，工艺过程多，所需设备复杂，且必须采用(100)硅衬底才能生长(100)取向的金刚石膜。所制得的金刚石膜由于在较大面积上不能形成均匀温度场，影响了生长面积(只有Φ5mm大小)，而且生长速率低，也影响到膜的均匀性。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，在新的气体气氛和压力下，严格控制温度和旋转衬底等方法，提高(100)取向金刚石膜的质量、生长面积和生长速率。

本发明的在单晶硅上大面积(100)取向金刚石膜的生长方法，仍以单晶硅为衬底，采用微波制备金刚石膜技术。本发明的特征为：单晶硅衬底可以是(100)解理面，也可以是(111)、(110)或与之成任意角度的解理面，即是任意解理面。衬底在金刚石粉中正反面研磨，形成均匀划痕。微波制备金刚石膜的方法包括以H₂、CH₄和CO为反应气体，气体压力控制在30～45torr范围，衬底温度控制在870～890℃范围，并且使衬底旋转，转速控制在0.2～1转/分。

三种反应气体的流量大小应当满足H₂∶CH₄∶CO＝100∶(0.5～1.5)∶(3～6)，保持体系内气体压强30～45torr范围，最好保持在35～40torr之间。这样的气体浓度配比，可以保证(100)取向金刚石膜的生长，并且有较快的生长速率和较好的均匀性，在这样的气体浓度配比范围之外，金刚石膜的取向、生长速度、均匀性，甚至金刚石膜的纯度将受到影响。

发明人使用H₂：100ml/min、CH₄：1ml/min、CO：3ml/min，温度控制在880℃制得大面积(Φ35mm)均匀的(100)取向金刚石膜。

金刚石膜的质量还决定于衬底的转速。可以采用机械办法使衬底匀速转动，最好将转速控制在1/3～2/3转/分。转动的目的是使衬底的温度均匀及生长金刚石膜均匀，从而获得晶粒均匀、面积大的(100)取向的金刚石膜。

对衬底的处理可以这样进行：按任意面解理的单晶硅片(衬底)，在粒度为1μm以下的金刚石粉中对正、反两面进行研磨，比方每面各研磨10分钟，使得衬底表面的划痕均匀，并且划痕深度与宽度均小于10^-5mm。这样有利于(100)取向金刚石膜的均匀快速生长。

综上所述，由于有CO参加反应，及三种反应气体的配比，温度控制比较严格，对金刚石膜的取向程度起到重要作用，生长中衬底的匀速转动、压力大小的控制及衬底的研磨处理也有助于金刚石膜的取向程度及快速大面积均匀生长。

跟现有技术比较，本发明的方法中减少了生长SiC过渡层和加正偏压工艺过程，不仅使工艺简单了而且节省了部分设备；本发明对衬底解理面的要求比现有技术宽松，即在任意解理面上均可生长(100)取向金刚石膜，这对(100)取向金刚石膜的生产是有益的和适用的；由于采用本发明的工艺过程，所获得的金刚石膜取向程度好，可以3～5μm/h的速率，生长Φ30mm以上的金刚石膜。