一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法
【专利摘要】本发明提供一种制备金刚石膜的装置，其采用微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子反应室，等离子反应室中设有一自旋转基片台，工作过程中微波系统产生的微波进入等离子反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，在自旋转基片台上方还设有耐高温金属圆环，该耐高温金属圆环位于等离子球内部下半部分。
【专利说明】一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于真空微电子【技术领域】，具体涉及一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法。
【背景技术】
[0002]金刚石具有极高的硬度，并在室温下具有极高热导率、低热膨胀系数、高化学惰性等优异性能，可用来制作切削工具和耐磨部件，在机械加工领域应用广泛。另外，它还是制作表面压力传感器、抗辐射半导体器件、大功率半导体激光器及高密度防腐耐磨红外光学窗口等器件的理想材料。然而天然金刚石数量稀缺、价格昂贵且难于加工的缺点制约了金刚石的广泛使用。上世纪50年代发展起来的高温高压(HTHP)法合成的金刚石为粉末状，生长大颗粒的金刚石成本很高，应用受到限制并且含金属催化剂杂质。自从Matsumto等人于1982年发明了化学气相沉积(CVD)法制备金刚石膜后，人们看见了金刚石膜应用研究的曙光。今天，人们关于CVD金刚石的研究更具现实性，国内外关于高速、高质量、大面积均匀生长金刚石膜的制备技术已成为研究人员当前所要迫切解决的课题。
[0003]采用CVD法制备金刚石膜的工艺，目前已经开发出很多种，其中主要有:热丝法(HFCVD)、微波法(MPCVD)、直流等离子体炬法和氧-乙炔燃烧火焰法等。其中微波法是用电磁波能量来激发反应气体，由于是无极放电，等离子体纯净，同时微波的放电区集中而不扩展，能激活产生各种原子基团如原子氢等，产生的离子的最大动能低，不会腐蚀已生成的金刚石。微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备金刚石的性能与天然金刚石十分接近甚至部分性能超越了天然金刚石，这使得MPCVD金刚石膜的制备成为各个科研机构的研究执占。
[0004]微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置一般包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子反应室，等离子反应室中设有一自旋转基片台，制备金刚石的过程中，微波系统产生的微波进入等离子反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，等离子体球紧贴在基片表面，SP2结构含碳基团在基片表面沉积成为金刚石膜。由于等离子体反应室中间区域的自旋转基片台上方微波能量最强，等离子体球中能量密度分布不同，等离子体中间区域密度高于边缘区域的密度，导致等离子体球中活性基团密度分布不同，等离子体球接触基片表面的温度也会出现高低差异，从而生长出来的大面积金刚石膜层厚度均匀性不好，中间厚而边缘薄。金刚石膜中间区域和边缘区域厚度差一般在15-20%左右，这对金刚石膜的抛光加工造成困难且对金刚石是一种极大的浪费。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法，工艺简单，所制备的金刚石膜面积大且厚度均匀。[0006]解决本发明技术问题所采用的技术方案是该制备金刚石膜的装置采用微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子反应室，等离子反应室中设有一自旋转基片台，工作过程中微波系统产生的微波进入等离子反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，在自旋转基片台上方还设有耐高温金属圆环，该耐高温金属圆环位于等离子球内部下半部分。耐高温金属圆环位于等离子体球内，靠近等离子体球边界。
[0007]按上述方案，在所述自旋转基片台四周设立一个以上非金属支架，非金属支架耐1200°C以上高温，所述耐高温金属圆环通过钨丝或钽丝与非金属支架固定连接。
[0008]按上述方案，非金属支架优选为氧化铝支架或Si02、SiC等陶瓷支架。所述支架能够透过微波、对微波场没有影响且物理化学稳定性好。
[0009]按上述方案，所述耐高温金属圆环为表面碳化处理的钨丝或者钽丝，钨丝或钽丝的直径为0.8-1.5mm。
[0010]本发明还提供一种制备金刚石膜的方法，其采用上述装置制备，包括以下步骤:
[0011](1)将表面脱脂处理过的基片放入等离子反应室内的自旋转基片台上，对等离子反应室抽本底真空，随后向等离子反应室中通入高纯氢气至真空度为l-2kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热基片至800-100(TC，用氢等离子体对基片表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为15min，得到表面洁净的基片；
[0012](2)向等离子反应室中通入甲烷，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数使等离子体球覆盖步骤(1)所得基片表面及自旋转基片台上方的耐高温金属圆环，使金刚石在所述基片表面形核，形核时间为10-60min ；
[0013](3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数进行金刚石膜的生长，生长时间为10-100小时，得到厚度均匀的金刚石膜。
[0014]按上述方案，步骤(1)所述表面脱脂处理为将基片放置在研磨盘上用粒度IOOnm的金刚石粉研磨30分钟，然后在含有少量IOOnm金刚石粉的丙酮溶液中超声30min，并在丙酮中超声5min后用脱脂棉擦干。
[0015]本发明所述基片可为硅片或钥片。优选的是，所述基片为P型(100)单晶硅片。P型(100)单晶硅片纯度高，沉积的金刚石膜质量好。
[0016]步骤(1)所述本底真空是指真空度为10_2_10Pa。所述高纯氢气纯度为99.999v%以上。
[0017]按上述方案，步骤(2)所述微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数为微波功率750W，等离子反应室内工作气压7.8kPa，甲烷流量5sccm，氢气流量200sccm，形核时间30min,基片温度 800_850°C。
[0018]按上述方案，步骤(3)所述微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数为微波功率800W，等离子反应室内工作气压8.8kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm，生长时间30min,基片温度 820_880°C。
[0019]本发明的有益效果是:在MPCVD设备原有的结构基础上，对等离子反应室进行了设计改装，加入耐高温金属圆环，利用等离子体易吸附于金属表面的特性，从而改变等离子体密度分布，达到提高大面积金刚石膜沉积均匀性的目的。【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明所述耐高温金属圆环的安装位置示意图；
[0021]图2为本发明所述耐高温金属圆环的工作过程示意图；
[0022]图3为实施例一所制备的金刚石膜的膜厚分布图；
[0023]图4为实施例二所制备的金刚石膜的膜厚分布图；
[0024]图5为实施例三所制备的金刚石膜的膜厚分布图；
[0025]图6为对比例I所制备的金刚石膜的膜厚分布图。
[0026]图中:1 一等尚子体球；2—耐闻温金属圆环；3—基片；4一自旋转基片台；5—鹤丝；6—氧化铝支架。
【具体实施方式】
[0027]为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
[0028]本发明实施例提供一种制备金刚石膜的装置。本发明所用微波等离子体化学气相沉积装置为天线耦合石英钟罩式微波等离子体化学气相沉积装置，其自旋转基片台直径为30mm，微波功率为800W。本发明所用氢气浓度为99.999v%，所用甲烷浓度为99.995v%。
[0029]实施例一
[0030]耐高温金属圆环表面碳化处理:选用直径为1.0mm的钽丝来制作直径为IOmm的耐高温金属圆环，将钽丝放置在等离子反应室内进行表面碳化处理{微波功率800W，工作气压8.8kPa,甲烧流量10sccm(标准立方厘米每分钟),氢气流量200sccm,时间15min}。将表面碳化处理后的耐高温金属圆环水平放置在距离自旋转基片台垂直高度5mm处。其安装位置示意图如图1所示。在自旋转基片台4四周设立一个氧化铝支架6，耐高温金属圆环2通过钨丝5与氧化铝支架6固定连接。
[0031]以直径为20mm、厚度为1mm的P型(100)单晶硅片作为基片沉积金刚石膜。将硅片在研磨盘上用粒度IOOnm的金刚石粉研磨30分钟，然后在含有少量IOOnm金刚石粉的丙酮溶液中超声30min，并在丙酮中超声5min后用脱脂棉擦干，得到表面脱脂处理过的基片。
[0032]采用以下步骤制备金刚石膜:
[0033](I)将上述表面脱脂处理过的基片放入等离子反应室内的自旋转基片台4上，对等离子反应室抽本底真空10_2Pa，随后向等离子反应室中通入高纯氢气至真空度为1.5kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热基片至800°C (微波功率700W，工作气压7.8kPa，氢气流量200SCCm)，用氢等离子体对基片表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为15min，得到表面洁净的基片3 ；
[0034](2)向等离子反应室中通入甲烷，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率750W，工作气压8.8kPa，甲烷流量5sCCm，氢气流量200SCCm，基片温度830°C)使等离子体球I覆盖步骤(1)所得基片表面及自旋转基片台上方的耐高温金属圆环(此时等离子体球直径为25mm)，使金刚石在所述基片3表面形核，工作示意图如图2所示。形核时间为30min;
[0035] (3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率800W，工作气压8.8kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm，基片温度850°C )进行金刚石膜的生长，生长时间为50小时，得到厚度均匀的金刚石膜。
[0036]对本实施例所制备的金刚石膜膜厚分布进行测试，在金刚石膜直径方向等间距取19个点，将金刚石膜直径分为20等份，从左到右测每个点的膜厚，其膜厚分布图如图3所示，本实施例所制备的金刚石膜中间边缘厚度差为5.3%。
[0037]实施例二
[0038] 耐高温金属圆环表面碳化处理:选用直径为1.0mm的钽丝来制作直径为15mm的耐高温金属圆环，采用与实施例一相同的方法对钽丝进行表面碳化处理。将表面碳化处理后的耐高温金属圆环水平放置在距离自旋转基片台垂直高度7_处。
[0039]以直径为20mm、厚度为1mm的P型(100)单晶硅片作为基片沉积金刚石膜。采用与实施例一相同的方法对基片表面进行脱脂处理。
[0040]采用以下步骤制备金刚石膜:
[0041](I)将上述表面脱脂处理过的基片放入等离子反应室内的自旋转基片台上，对等离子反应室抽本底真空10_2Pa，随后向等离子反应室中通入高纯氢气至真空度为1.5kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热基片至800°C (微波功率700W，工作气压7.8kPa，氢气流量200SCCm)，用氢等离子体对基片表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为15min，得到表面洁净的基片；
[0042](2)向等离子反应室中通入甲烷，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率750W，工作气压8.8kPa，甲烷流量5sCCm，氢气流量200SCCm，基片温度830°C)使等离子体球覆盖步骤(1)所得基片表面及自旋转基片台上方的耐高温金属圆环(此时等离子体球直径为25mm)，使金刚石在所述基片表面形核，形核时间为30min ；
[0043](3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率800W，工作气压8.8kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm，基片温度850°C )进行金刚石膜的生长，生长时间为50小时，得到厚度均匀的金刚石膜。
[0044]采用与实施例一相同的方法对本实施例所制备的金刚石膜膜厚分布进行测试，其膜厚分布图如图4所示，得到的金刚石膜膜厚分布曲线出现类似三个峰值，中间峰值最大，在圆环正下方出现了两个小一点的峰值。金刚石膜中间边缘厚度差为5.1%。
[0045]实施例三
[0046]耐高温金属圆环表面碳化处理:选用细钽丝来制作直径为20mm的耐高温金属圆环，采用与实施例一相同的方法对钽丝进行表面碳化处理。将表面碳化处理后的耐高温金属圆环水平放置在距离自旋转基片台垂直高度9_处。
[0047]以直径为20mm、厚度为1mm的P型(100)单晶硅片作为基片沉积金刚石膜。采用与实施例一相同的方法对基片表面进行脱脂处理。
[0048]采用以下步骤制备金刚石膜:
[0049](I)将上述表面脱脂处理过的基片放入等离子反应室内的自旋转基片台上，对等离子反应室抽本底真空10_2Pa，随后向等离子反应室中通入高纯氢气至真空度为1.5kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热基片至800°C (微波功率700W，工作气压7.8kPa，氢气流量200SCCm)，用氢等离子体对基片表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为15min，得到表面洁净的基片；[0050](2)向等离子反应室中通入甲烷，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率750W，工作气压8.8kPa，甲烷流量5sCCm，氢气流量200SCCm，基片温度830°C)使等离子体球覆盖步骤(1)所得基片表面及自旋转基片台上方的耐高温金属圆环，使金刚石在所述基片表面形核，形核时间为30min ；
[0051](3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率800W，工作气压8.8kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm，基片温度850°C )进行金刚石膜的生长，生长时间为50小时，得到金刚石膜。
[0052]对本实施例所制备的金刚石膜膜厚分布进行测试，其膜厚分布图如图5所示，金刚石膜膜厚分布曲线类似于W形状。厚度差为5.8%。
[0053]对比例I
[0054]不加入耐高温金属圆环，以直径为20mm、厚度为1mm的P型(100)单晶娃片作为基片沉积金刚石膜。采用与实施例一相同的方法处理基片表面。将表面碳化处理后的耐高温金属圆环水平放置在距离自旋转基片台垂直高度5_处。制备金刚石膜的具体步骤为:
[0055](I)将上述表面脱脂处理过的基片放入等离子反应室内的自旋转基片台上，对等离子反应室抽本底真空10_2Pa，随后向等离子反应室中通入高纯氢气至真空度为1.5kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热基片至800°C (微波功率700W，工作气压7.8kPa，氢气流量200SCCm)，用氢等离子体对基片表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为15min，得到表面洁净的基片；
[0056](2)向等离子反应室中通入甲烷，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率750W，工作气压8.8kPa，甲烷流量5sCCm，氢气流量200SCCm，基片温度830°C)使等离子体球覆盖步骤(1)所得基片表面，使金刚石在所述基片表面形核，形核时间为30min ；
[0057](3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数(微波功率800W，工作气压
8.8kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm，基片温度850°C )进行金刚石膜的生长，生长时间为50小时，得到厚度均匀的金刚石膜。
[0058]对本实施例所制备的金刚石膜膜厚分布进行测试，其膜厚分布图如图6所示，膜层厚度分布曲线呈现典型的正态分布曲线。中间高边缘低，厚度差为14.5%。未加环时，等离子体球内部密度分布是不均匀的，直径为25_左右的等离子体球中，越靠近外缘区域，等离子体密度越低。等离子体能量密度分布不均匀，对基片硅片的能量辐射也是不均匀的，生长沉积后基片硅片表面金刚石膜呈现中间高边缘低的厚度分布。
[0059]由以上对本发明实施例的详细描述，可以了解本发明解决了常规MPCVD方法制备金刚石膜厚度不均匀的问题。利用等离子体易吸附于金属表面的特性，在基底上方水平加一个耐高温金属圆环，改变了微波电场的能量分布，从而改变等离子体密度分布，达到提高大面积金刚石膜沉积均匀性的目的。金刚石膜中间区域和边缘区域厚度差由未加耐高温金属圆环的14.5%减少到5.1-5.8%。对金刚石膜的切屑加工只能用金刚石，成本很高，膜层的均匀性提高能大大地降低加工所需切屑的厚度，从而大大降低加工成本。
[0060] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种制备金刚石膜的装置，其采用微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子反应室，等离子反应室中设有一自旋转基片台，工作过程中微波系统产生的微波进入等离子反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，其特征在于:在自旋转基片台上方还设有耐高温金属圆环，该耐高温金属圆环位于等离子球内部下半部分。
2.根据权利要求1所述的制备金刚石膜的装置，其特征在于:在所述自旋转基片台四周设立一个以上非金属支架，非金属支架耐1200°C以上高温,所述耐高温金属圆环通过鹤丝或钽丝与非金属支架固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的制备金刚石膜的装置，其特征在于:所述耐高温金属圆环为表面碳化处理的钨丝或者钽丝，钨丝或钽丝的直径为0.8-1.5mm。
4.一种制备金刚石膜的方法，其特征在于采用权利要求1-3任一所述装置制备，包括以下步骤: (1)将表面脱脂处理过的基片放入等离子反应室内的自旋转基片台上，对等离子反应室抽本底真空，随后向等离子反应室中通入高纯氢气至真空度为1.0-2.0kPa的时候开启微波系统产生氢 等离子体，利用微波辐射加热基片至800-100(TC，用氢等离子体对基片表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为15min，得到表面洁净的基片； (2)向等离子反应室中通入甲烷，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数使等离子体球覆盖步骤(1)所得基片表面及自旋转基片台上方的耐高温金属圆环，使金刚石在所述基片表面形核，形核时间为10-60min ； (3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数进行金刚石膜的生长，生长时间为10-100小时，得到厚度均匀的金刚石膜。
5.根据权利要求4所述的制备金刚石膜的方法，其特征在于:步骤(1)所述表面脱脂处理为将基片放置在研磨盘上用粒度IOOnm的金刚石粉研磨30分钟，然后在含有少量IOOnm金刚石粉的丙酮溶液中超声30min，并在丙酮中超声5min后用脱脂棉擦干。
6.根据权利要求4所述的制备金刚石膜的方法，其特征在于:所述基片为P型(100)单晶娃片O
7.根据权利要求4所述的制备金刚石膜的方法，其特征在于:步骤(2)所述微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数为微波功率750W，等离子反应室内工作气压7.8kPa，甲烷流量5sccm，氢气流量200sccm，形核时间30min，基片温度800_850°C。
8.根据权利要求4所述的制备金刚石膜的方法，其特征在于:步骤(3)所述微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数为微波功率800W，等离子反应室内工作气压8.8kPa，甲烷流量3sccm，氢气流量200sccm，生长时间30min，基片温度820_880°C。
【文档编号】C23C16/513GK103911596SQ201410068775
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2014年2月27日
【发明者】满卫东, 汪建华, 游志恒, 涂昕, 张玮, 林晓棋, 阳硕 申请人:武汉工程大学