一种脉冲正偏压增强CVD金刚石异质外延形核的方法

本发明涉及一种脉冲正偏压增强cvd金刚石异质外延形核的方法，属于cvd法异质外延单晶金刚石。

背景技术：

1、金刚石作为典型的超宽禁带半导体，具有比传统半导体更优异的热学、电学性能。同时，单晶金刚石由于不存在晶界，载流子迁移率以及电荷收集效率大大提高，相比于多晶金刚石来说，在探测器以及功率器件等领域潜力巨大。由于设备以及工艺的突破，多晶金刚石尺寸可达200~300 mm，在热沉、微波窗口、耐磨涂层等方面基本可以满足应用要求。然而大尺寸天然单晶金刚石极其稀少且价格昂贵，单晶金刚石成为半导体材料急需解决的技术问题就是如何制备大尺寸高质量的单晶金刚石。

2、制备大尺寸高质量单晶金刚石的主要途径有三维生长、拼接生长、异质外延生长等。三维生长法虽然可以复制晶体结构来获得高质量的外延层，但受限于晶种尺寸，难以满足半导体器件对其尺寸的要求。拼接法生长和异质外延生长法是目前最常用的制备方法。其中拼接法克服了晶种尺寸的限制，但在拼接缝处存在界面位错、多晶和缺陷等问题，影响外延单晶金刚石质量，限制了大尺寸拼接金刚石在半导体方面的先进应用。而异质外延生长工艺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。该方法相比于三维生长以及拼接生长的途径有更大优势。

3、异质外延工艺最重要的技术问题是高密度外延形核。目前最普遍的工艺就是偏压增强形核法，在异质衬底上施加一定的偏压，腔体内等离子体在电场的作用下加速轰击衬底并相互作用，在碳的溶解-析出过程中形成一层非晶碳膜，当表面碳浓度饱和则会沿着异质膜晶界析出金刚石核。对cvd设备施加直流负偏压是目前报道的主流方式，就是将偏压电源的正极外接cvd设备腔体接地而负极则连接样品托。但是如果衬底绝缘，这种偏压施加方式基本无效。

4、上述对cvd设备施加直流负偏压的技术中，为了解决衬底绝缘的问题，中国专利cn112695382a公开了一种基于网格化结构电极提供金刚石异质外延形核均匀性的方法，但该技术并未从根本上解决异质衬底不导电的问题，使等离子场中的电荷在衬底表面积累，引起衬底温度过高，从而破坏了异质衬底的模板效应。还有学者提出在异质衬底底部以及四周沉积金属膜（cn114134566a，cn113430642a），或者设计辅助装置（cn112813497a），这些操作方法虽然能解决部分问题，但是直流负偏压易引起衬底温度过高，导致温度不均以及衬底发生翘曲，从而大大限制了偏压形核效果。

技术实现思路

1、为了解决高密度外延形核的问题，且保持形核的均匀性，本发明旨在提供一种脉冲正偏压增强cvd金刚石异质外延形核的方法。

2、本发明利用直流脉冲电源通过非连续的脉冲方式来轰击基体表面，改变了基体内部与表面之间的温度梯度，达到热均衡补偿效果，减少对基体的热损伤，有效避免了异质衬底表面铱膜剥落或异质衬底崩裂现象，较好地实现了大尺寸单晶金刚石的外延完整性；另一方面，对基体施加脉冲正偏压避免直流偏压无法有效的对绝缘异质衬底施加偏压，较为简易的实现了在绝缘异质衬底上高密度外延形核的效果，对于异质外延单晶金刚石领域有着重要意义。本发明通过将cvd设备天线外接直流脉冲电源正极，在等离子体上方施加电场，使等离子体中的cxhy+离子在电场的作用下向钼托以及表面用于外延的异质衬底迁移。同时在附加电场的作用下，等离子体被压缩并在用于外延的异质衬底表面形成一层鞘层，避免因异质衬底导电性差而使电场严重削弱，大大提升了形核均匀性以及效率。

3、本发明提供了一种脉冲正偏压增强cvd金刚石异质外延形核的方法，将承载样品的钼托放置于cvd腔体中央的水冷台上，直流脉冲电源正极通过导线接到cvd设备天线上，并利用聚四氟乙烯（pvc）绝缘环使其与腔体绝缘，直流脉冲电源的另一电极通过导线连接到cvd腔体外壳上并接地；然后将用于外延的异质衬底置于钼托中心位置，抽真空；接着通入氢气，打开微波电源，逐渐增加功率并调节气压直至温度达到600~800℃；最后控制甲烷浓度，打开脉冲偏压电源，设置偏压工艺参数进行增强形核，从而得到高密度外延形核的异质衬底。

4、上述的脉冲正偏压增强cvd金刚石异质外延形核的方法，具体包括下列步骤：

5、(1) 将承载样品的钼托放置于cvd腔体中央的水冷台上，直流脉冲电源正极通过导线接到cvd设备天线上，并利用聚四氟乙烯使其与腔体绝缘，直流脉冲电源的另一电极通过导线连接到cvd腔体外壳上并接地；

6、(2) 将用于外延的异质衬底放置在钼托中心位置，关闭cvd腔体，打开真空泵以及气路阀门开始抽真空，抽至本底真空1×10-4~5×10-4 pa；

7、(3) 通入氢气，并控制其流量以及cvd腔体内气压，达到一定气压后启动微波发生器，激活等离子体；

8、(4) 调节氢气流量以及气路阀门，逐渐平稳的升高cvd腔体内气压、微波功率以及外延衬底的温度；

9、(5) 不断通过测温枪测量外延衬底的表面温度，当表面温度达600~800℃时停止微波发生器；

10、(6) 通入0~500 sccm的甲烷气体，并调节气路阀门平衡气压在3-4 kpa；

11、(7) 待衬底表面温度稳定5~15 min后，打开直流脉冲偏压电源，设置恒压模式、电压、占空比以及偏压时间等工艺参数后，启动电源进行偏压增强形核；直流脉冲设置参数为：脉冲电压为100~1000 v，优选400~900v，脉冲占空比为10%~85%，偏压时间为10~60 min。

12、(8) 偏压增强形核完成，关闭直流脉冲偏压电源以及设备，取出样品，完成基于直流脉冲电源施加正偏压以增强cvd金刚石异质外延形核的方法。

13、上述方法中，所述步骤（1）中，承载样品的钼托的厚度为1~5 mm，使低功率低气压下外延衬底温度能达到要求。

14、上述方法中，所述步骤（2）中，用于外延的衬底为si、c-bn、sic或ir基复合衬底。

15、上述方法中，所述步骤(3)中，氢气流量为50~600 sccm，启动微波发生器时的腔体气压为0.4~0.8 kpa。

16、上述方法中，所述步骤(4)中，气压升高的速率为0.1~0.5 kpa/min，功率升高的速率为50~200 w/min，温度升高速率为30~70℃/min；外延衬底温度为600~800℃，腔体内气压为3~4 kpa，微波功率为1500~2000 w。

17、上述方法中，所述步骤(6)中，甲烷（ch4/h2）流量为0~500 sccm，甲烷体积分数为1%~5%。

18、本发明的有益效果：

19、（1）本发明利用直流脉冲电源通过非连续的脉冲方式来轰击基体表面，改变基体内部与表面之间的温度梯度，达到热均衡补偿效果，减少对基体的热损伤；

20、（2）本发明同时对基体施加脉冲偏压避免直流偏压无法有效的对绝缘异质衬底施加偏压，实现了在绝缘异质衬底上高密度外延形核的效果；

21、（3）本发明在mpcvd装置上施加正偏压，避免了较复杂的样品基台的设计，同时可以获得温度均匀以及形核均匀的效果，对于大尺寸单晶金刚石的异质外延生长与应用具有重要意义。