[发明专利]基于复合结构样品台提高金刚石异质外延大尺寸形核均匀性的方法

说明书

基于复合结构样品台提高金刚石异质外延大尺寸形核均匀性的方法，本发明属于化学气相沉积法异质外延单晶金刚石生长领域，它为了解决现有难以实现异质衬底大尺寸高密度外延形核的难题。提高金刚石异质外延形核均匀性的方法：一、将复合结构样品台放置在MPCVD设备的水冷台中心位置，异质衬底放置在样品台的中心位置，抽真空；二、启动微波发生器，激发气体电离和解离；三、偏压增强形核过程：通入甲烷气体，进行等离子体预处理，然后启动偏压电源施加偏压；四、降低甲烷浓度，进行金刚石外延生长，直至沉积生长结束。本发明样品台具有类似于台阶的结构以及数量更多的边缘尖端区域，能在偏置电场的作用下直流辉光层的面积更均匀分布在样品上方。

技术领域

本发明属于化学气相沉积法异质外延单晶金刚石生长领域，具体涉及一种基于复合结构样品台提高金刚石大尺寸形核均匀性的方法。

背景技术

金刚石具有优异的力热光电性能，可以用于制备探测器、功率器件、光学窗口、金刚石芯片等在高功率、高频率、高温、强辐射条件下应用的高性能器件。单晶金刚石由于内部无不规则晶界，热导率、电子和空穴载流子迁移率都比多晶金刚石更胜一筹。为了克服天然金刚石尺寸小杂质浓度高无法广泛应用的缺点，人工合成大尺寸、低缺陷、高纯度单晶金刚石成为了近几十年来半导体领域的研究者热点。

异质外延工艺作为MPCVD法合成单晶金刚石的重要分支，是指在非金刚石衬底上通过高密度外延形核，并通过控制生长工艺实现晶粒合并与织构生长进而获得大尺寸外延单晶金刚石膜的方法。该方法相比同质外延实现大尺寸往往需要采用马赛克拼接法、重复生长法、三维生长法等手段但都无法完全湮灭晶界相比具有更大优势。

异质衬底上外延生长大尺寸单晶金刚石膜，最需要克服的两个关键问题是大尺寸异质衬底的制备与大尺寸高密度均匀外延形核。目前Ir复合衬底被认为是最优异的衬底材料，偏压增强成核工艺(BEN)被认为是实现高密度外延形核的不二选择。除了2007年德国奥格斯堡大学Schreck等人在“Ion bombardment induced buried lateral growth：:Thekey mechanism for the synthesis of single crystal diamond wafers”中报道了目前最大直径可达92mm的外延自支撑单晶金刚石，国内外其他团队几乎没有2英寸以上异质外延自支撑单晶金刚石膜的报道，因此大尺寸高密度均匀外延形核技术是制约后续金刚石生长的主要瓶颈。外延形核均匀性又很大程度上取决于谐振腔内等离子体分布的均匀性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有难以实现异质衬底大尺寸高密度外延形核的难题，而提供一种通过设计样品台结构改善样品上方等离子体分布均匀性，进而优化BEN过程样品上方直流辉光层分布，从而提高异质衬底大尺寸外延形核均匀性的方法。

本发明基于复合结构样品台提高金刚石异质外延大尺寸形核均匀性的方法按照以下步骤实现：

一、设备抽气：

将复合结构样品台放置在MPCVD设备的水冷台中心位置，再将异质衬底放置在复合结构样品台的中心位置，关闭CVD腔体盖后进行腔体的抽真空，开启真空泵，打开气路阀门，使CVD腔体内真空度达到5.0×10^-7～5.0×10^-6Torr，完成设备抽气；

二、升温过程：

a、控制氢气流量为200～400sccm和CVD腔体内气压5～10torr，设置微波功率为500～1000W，启动微波发生器，激发气体电离和解离，获得微波等离子体；

b、逐渐升高CVD腔体内气压和微波功率；

c、随着CVD腔体内气压达到10～100Torr，不断通过测温装置测量异质衬底表面温度；

d、待达到所需气压和功率后，调节复合结构样品台内部气腔的气压，保证复合结构样品台的气腔内气压低于CVD腔体内气压，异质衬底的温度达到600-900℃；