一种增加金刚石在碳化硅衬底上成核密度的方法

1.本技术涉及金刚石薄膜的化学气相沉积技术领域，尤其涉及一种增加金刚石在碳化硅衬底上成核密度的方法。


背景技术：

2.金刚石具有优异的光学、电学、机械和热学性能，因此具有巨大的应用潜力。特别是金刚石薄膜具有宽带隙、光学透明性和异常高导热性的特点，是一种理想的半导体材料。在高密度集成电路封装材料、保护涂层、电化学电极等高科技领域具有良好的应用前景。近年来，利用微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)方法生长金刚石薄膜的研究受到了越来越多的关注，因为即使是多晶金刚石也比大多数现有的晶体具有更大的优势。特别是由高载流子迁移率和独特的光学特性驱动的最高声波速度和热导率，使金刚石薄膜成为许多新兴器件应用的理想材料，如超高频声滤波器、电力电子、集成光学电路、量子换能器。
3.用于金刚石薄膜生长的衬底有硅(si)、钼(mo)、碳化硅(sic)等。由于与金刚石有关的衬底材料的晶格参数和结构是决定良好薄膜生长的重要考虑因素，所有衬底材料在获得良好的薄膜附着力方面的反应并不相同。金刚石与β-sic的晶格匹配较好，晶格失配率约为18.2％(金刚石与si的晶格失配率为52％)。因此，当sic作为衬底时，更容易成核。另外，sic材料热膨胀系数小，导热系数高，这些特性与金刚石非常相似，使得金刚石膜在sic衬底上的附着力更好。结合两种材料的性能，具有很大的应用潜力。然而，目前金刚石在sic衬底上成核的研究比较少，例如，moore e等通过微波化学气相沉积在4h-sic衬底上实现异质外延金刚石，报道了对金刚石薄膜的表征，存在金刚石成核密度低且不均匀问题，这将影响后续的异质外延质量。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本技术实施例提供了一种增加金刚石在碳化硅衬底上成核密度的方法。
5.本技术实施例提供的增加金刚石在碳化硅衬底上成核密度的方法，主要包括如下步骤：
6.对碳化硅衬底的生长面进行粗糙化处理；
7.对所述碳化硅衬底进行表面清洁处理；
8.将所述碳化硅衬底放置在mpcvd设备的生长腔内，通入h2和ch4在所述生长面上进行金刚石薄膜生长。
9.可选地，对碳化硅衬底的生长面进行粗糙化处理，包括：
10.对碳化硅衬底的镜面生长面，使用金刚石微粉或者其他加工粉料进行研磨处理，得到粗糙的生长面。
11.可选地，所述选金刚石微粉的直径为2-10μm；研磨后，所述碳化硅衬底的生长面算术平均粗糙度ra为30～100nm、均方根粗糙度rq为50～100nm。
12.可选地，对所述碳化硅衬底进行表面清洁处理，包括：
13.对所述碳化硅衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水行表面清洁处理。
14.可选地，通入h2和ch4进行金刚石薄膜生长，包括：
15.使用的微波功率为2000～8000w，用双干涉红外辐射热高温计测量所述碳化硅衬底温度为800-1100℃。h2的流量约为50～600sccm,ch4的流量为1～40sccm。
16.可选地，所述h2的流量为150～300sccm,所述ch4的流量为3～9sccm。
17.可选地，所述ch4的流量为6sccm。
18.本技术实施例提供的增加金刚石在碳化硅衬底上成核密度的方法，将碳化硅衬底放置在mpcvd设备的生长腔内、通入h2和ch4进行金刚石薄膜生长之前，通过对碳化硅衬底的生长面进行粗糙化处理和清洗后，使碳化硅衬底生长面形成粗糙面，基于种子效应、尖锐凸表面界面能的最小化、尖锐边缘表面键的断裂或悬空键的存在、应变场效应、锋利边缘处碳快速饱和以及表面氧化物的去除，可以有效增强成核，提高成核密度低，保证均匀性。
附图说明
19.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本技术实施例提供的增加金刚石在碳化硅衬底上成核密度的方法的基本流程示意图；
22.图2a为本技术实施例提供的sic衬底的镜面c面的显微镜图；
23.图2b为本技术实施例提供的sic衬底的c面经粗糙化处理后的显微镜图；
24.图2c为本技术实施例提供的sic衬底的镜面c面的sem图；
25.图2d为本技术实施例提供的sic衬底的c面经粗糙化处理后的sem图；
26.图3a为本技术实施例提供的在甲烷流量为3sccm时，在sic衬底的sic衬底的镜面c面沉积金刚石薄膜的sem图像；
27.图3b为本技术实施例提供的在甲烷流量为6sccm时，在sic衬底的sic衬底的镜面c面沉积金刚石薄膜的sem图像；
28.图3c为本技术实施例提供的在甲烷流量为9sccm时，在sic衬底的sic衬底的镜面c面沉积金刚石薄膜的sem图像；
29.图3d为本技术实施例提供的在甲烷流量为12sccm时，在sic衬底的sic衬底的镜面c面沉积金刚石薄膜的sem图像；
30.图4a为本技术实施例提供的在甲烷流量为1sccm时，在sic衬底的sic衬底的粗糙c面沉积金刚石薄膜的sem图像；
31.图4b为本技术实施例提供的在甲烷流量为3sccm时，在sic衬底的sic衬底的粗糙c面沉积金刚石薄膜的sem图像；
32.图4c为本技术实施例提供的在甲烷流量为6sccm时，在sic衬底的sic衬底的粗糙c面沉积金刚石薄膜的sem图像；
33.图4d为本技术实施例提供的在甲烷流量为9sccm时，在sic衬底的sic衬底的粗糙c面沉积金刚石薄膜的sem图像；
34.图4e为本技术实施例提供的在甲烷流量为12sccm时，在sic衬底的sic衬底的粗糙c面沉积金刚石薄膜的sem图像；
35.图5a为本技术实施例提供的在sic衬底的sic衬底的镜面c面上，金刚石成核密度随甲烷流量的变化示意图；
36.图5b为本技术实施例提供的在sic衬底的sic衬底的粗糙c面上，金刚石成核密度随甲烷流量的变化示意图。
具体实施方式
37.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
38.本实施例利用微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition，mpcvd)法进行金刚石薄膜沉积，采用的是俄罗斯optosystems公司生产的ardis-300mpcvd设备述原理，在具体实施过程中也可以采用其它型号的设备，本实施例不作具体限定。
39.下面将结合附图对本实施例提供的方法进行详细介绍。如图1为本实施例提供的增加金刚石在碳化硅衬底上成核密度的方法的基本流程示意图，该方法主要包括如下步骤：
40.s101：对碳化硅衬底的生长面进行粗糙化处理。
41.具体的，可以将碳化硅衬底的镜面生长面，使用金刚石微粉进行研磨处理，其中，金刚石微粉的直径为2～10μm，研磨后，生长面算术平均粗糙度ra为30～100nm、均方根粗糙度rq为50～100nm，但并不限于该数值范围。
42.当然，并不限于上述方式对碳化硅衬底进行粗糙化处理，例如还可以结合光刻工艺制备周期性的pss图形。
43.s102：对所述碳化硅衬底进行表面清洁处理。
44.具体的，可以对所述碳化硅衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水洗涤，当然，并不限于该清洗方式。
45.s103：将所述碳化硅衬底放置在mpcvd设备的生长腔内，通入h2和ch4在所述生长面上进行金刚石薄膜生长。
46.本实施例中，使用的微波功率为2000～8000w，用双干涉红外辐射热高温计测量碳化硅衬底温度为850～950℃，衬底温度由发射率为0.1的双干涉红外辐射热高温计通过2mm狭缝测量所得，沉积过程在150torr左右的压力下进行，h2的流量约为100～400sccm,ch4的流量为1～20sccm。优选地，h2的流量为150～300sccm,ch4的流量为3～9sccm。
47.基于上述方法，为比对本实施例的成核效果，本实施例设计两种衬底，第一个是碳化硅衬底的c面镜面，第二个是将碳化硅衬底的c面，使用4～6微米金刚石粉研磨30min，研磨后，c面的粗糙度算术平均粗糙度ra＝60.7nm，均方根粗糙度rq＝77.9nm，如图2a～2d所
示，为两种碳化硅衬底的c面图像。此处以c面作为生长面为例，当然，也可以用si面作为生长面。
48.然后，将碳化硅衬底放置在cvd腔内的钼拖的中间。成核步骤前，样品分别用无水乙醇和丙酮洗涤15min。实验中使用的微波功率为4000w，用双干涉红外辐射热高温计测量衬底温度为900℃，衬底温度由发射率为0.1的双干涉红外辐射热高温计通过2mm狭缝测量所得。沉积过程在150torr的压力下进行。h2的流量为150sccm,为了验证不同的ch4的流量对成核效果的影响，设置ch4的流量分别为1sccm、3sccm、6sccm、9sccm和12sccm。在10min成核步骤后，样品进行1h的生长，ch4的流量为6sccm，其他条件不变。
49.如图3a～3d所示，为本实例提供的在压力为150torr，微波功率为4kw，衬底温度为900℃，h2流量选145～155sccm中的任一数值，本实施例选150sccm，不同的ch4流量的条件下，在sic衬底的c面镜面抛光表面沉积了金刚石薄膜的sem图像。
50.如图4a～4e所示，为本实例提供的在压力为150torr，微波功率为4kw，衬底温度为900℃，h2流量约为150sccm，不同的ch4流量的条件下，在sic衬底c面研磨面沉积了金刚石薄膜的sem图像。
51.图5a～5b所示，为本实例提供的不同碳化硅衬底下甲烷浓度对金刚石成核密度的影响。
52.如图3至5所示，在镜面抛光的sic衬底上具有很低的形核密度，为105cm-2
，用金刚石粉对碳化硅衬底进行研磨处理，最终得到高密度的金刚石成核。本实施例中，4～6μm的金刚石粉研磨样品在sic衬底上的金刚石形核密度比未经处理的镜面sic衬底的金刚石形核密度高出约3个数量级。成核时间10min后，最大成核密度可达108cm-2
。
53.如图4a～4e所示，随着甲烷浓度的增加，金刚石颗粒的形状由不规则形状变为三角形和方形，方形切面和三角形面积比明显增加，团簇现象再次发生，影响成核均匀性。这是因为当甲烷浓度过高时，如果等离子体中碳源浓度过大，同时衬底已被部分金刚石晶粒覆盖，一些碳基团粘附在已成核的晶粒上，导致出现了晶粒团簇。根据图4的对比，c面的粗糙度算术平均粗糙度ra＝60.7nm，均方根粗糙度rq＝77.9nm，h2流量为约150sccm时，甲烷为6sccm时，成核均匀性最好。
54.本实施例通过对碳化硅衬底的c表面进行粗糙化处理后，基于种子效应、尖锐凸表面界面能的最小化、尖锐边缘表面键的断裂或悬空键的存在、应变场效应、锋利边缘处碳快速饱和(快速形成碳化物)以及表面氧化物的去除，可以有效增强成核。同时，本技术实施例所采用的金刚石粉研磨的方式，在碳化硅衬底上造成划痕，会改变衬底表面的形貌，产生边缘、台阶、位错等缺陷。这些缺陷区域被用作化学活性位点。由于在高能界面处存在高密度的不饱和键和较低的配位数，它们更倾向于吸附金刚石前驱体。本技术实施例，4～6微米金刚石粉研磨后的sic衬底，金刚石成核密度比未处理的镜面sic衬底高出约3个数量级，成核时间10min后，最大成核密度可达108cm-2
，证明了sic衬底的预处理也是良好成核的有效前提。
55.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里申请的公开后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术
的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
56.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。