一种多晶金刚石膜的制备方法和辐射探测器

1.本发明涉及多晶金刚石膜生长的技术领域，尤其涉及到一种多晶金刚石膜的制备方法和一种辐射探测器。


背景技术：

2.金刚石被称为半导体材料的中的终极材料，具有宽禁带、高击穿电场、高频、耐高温等优异性质这些优异特性使金刚石可应用于太阳盲深紫外探测器，x射线、核辐射等高能粒子的监控和探测、大功率电力电子器件和微波功率器件等方面。但是，目前单晶金刚石制备方法较为困难，难以得到较大尺寸的单晶金刚石，所以多晶金刚石的制备成为了主要研究方向。
3.制备高质量多晶金刚石膜的常用方法为微波等离子化学气相沉积法(mpcvd)，该方法利用微波激励沉积气体在反应室内产生辉光放电，使反应气体的分子离化，产生等离子体，在衬底上沉积得到金刚石膜，由于整个制备过程中，等离子体中的电子密度高，原子氢浓度大，离子的最大动能低，而且能够在较大的压力下得到稳定的等离子体，因此在沉积大面积金刚石膜方面具有明显优势。但是，目前多晶金刚石薄膜制备时的晶向较为杂乱，不利于其在金刚石器件方向的研究，因此，如何实现高取向的多晶金刚石薄膜的制备成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于解决采用目前的制备方法制备得到的金刚石薄膜的晶向较为杂乱，影响其自身性能和使用该金刚石薄膜的器件的性能的问题，提供了一种多晶金刚石膜的制备方法和一种辐射探测器。
5.为此，本发明提供了一种多晶金刚石膜的制备方法，包括如下步骤：
6.将其上具有金刚石晶种的衬底置于化学气相沉积反应室中；
7.设置化学气相沉积反应室中的生长气体为h2、ch4和n2的混合气体；
8.经过第一预设时间后，关闭ch4和n2，并通入o2，将h2和o2的混合气体作为刻蚀气体；
9.经过第二预设时间后，关闭o2，并复通入ch4和n2，将h2、ch4和n2的混合气体作为生长气体；
10.重复上述步骤若干次，直至若干个第一预设时间之和达到预设生长时间后结束，得到多晶金刚石膜。
11.进一步地，h2、ch4和n2的混合气体中，h2、ch4和n2的气体流量比为(100-1000)：(10-50)：(0.01-0.5)，且n2的流量占比介于0.012％到0.09％之间。
12.进一步地，h2、ch4和n2的混合气体中，h2、ch4和n2的气体流量比为(100-1000)：(10-50)：(0.01-0.5)，且n2的流量占比介于0.03％到0.06％之间。
13.进一步地，h2、ch4和n2的混合气体中，ch4的流量占比6％。
14.进一步地，h2和o2的混合气体中，o2的流量占比介于1％到4％之间。
15.进一步地，重复生长的次数为6-10次。
16.根据第二方面，本发明还提供可一种辐射探测器，其中的金刚石薄膜为使用上述第一方面所述的多晶金刚石膜的制备方法制备得到。
17.本发明提供的技术方案，具有如下优点：
18.1、本发明提供的多晶金刚石膜的制备方法，通过设置生长-刻蚀-生长-刻蚀的循环生产方式，也即在一次生长后均通过一次刻蚀去除多晶金刚石薄膜表面石墨相等杂质，能够减少最终制备得到的多晶金刚石膜内的杂质，提高最终制备得到的多晶金刚石膜的质量；此外，通过在一次生长结束后仅关闭ch4和n2，而将h2保持通入状态形成h2和o2的混合气体作为刻蚀气体，实现对具有强氧化性的o2的稀释，能够防止仅在o2气氛下进行刻蚀出现的影响多晶金刚石结构的均匀性和完整性的问题，且此效果仅通过保持h2的通入即可实现，能够进一步降低该多晶金刚石膜的制备方法的实现难度。
19.2、本发明提供的多晶金刚石膜的制备方法，发明人创新性地发现了当ch4和n2在整体混合生长气体中流量占比相差较大时(ch4的气体流量是n2的气体流量的100倍左右时)，能够使制备得到的多晶金刚石膜表面晶向更整齐，并据此提供了一个较优的生长气体的流量比范围(h2、ch4和n2的气体流量比为(100-1000)：(10-50)：(0.01-0.5)，且n2的流量占比介于0.03％到0.06％之间)，进一步提高了使用该多晶金刚石膜的制备方法制备得到的多晶金刚石膜的质量。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例提供的多晶金刚石膜的制备方法的一种具体实施方式对应的多晶金刚石膜表面扫描电子显微镜(sem)照片；
22.图2为本发明实施例提供的多晶金刚石膜的制备方法的另一种具体实施方式对应的多晶金刚石膜表面扫描电子显微镜(sem)照片。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.实施例1
26.本实施例提供了一种多晶金刚石膜的制备方法，该方法包括如下步骤：
27.步骤s10：将其上具有金刚石晶种的衬底置于化学气相沉积反应室中。
28.在本实施例中，衬底可以为单晶硅片，也可以钼片，且本领域技术人员应当可以理解，为了能够成功制备得到高质量的多晶金刚石膜，此处的金刚石晶种需均匀覆盖于衬底的表面，且在覆盖金刚石晶种之前，可以对衬底进行抛光、超声清洗等处理。
29.步骤s20：设置化学气相沉积反应室中的生长气体为h2、ch4和n2的混合气体。
30.本实施例中，化学气相沉积反应室中的其他参数，如功率、压强和温度等可以根据具体应用场景进行设置，在此不做限定；为了便于本领域技术人员的理解，此处进行示例性说明：化学气相沉积反应室的功率可以为4000～4500w，压强可以为150～200mbar，温度可以为800～900℃。
31.本实施例中，基于发明人创新性地发现，当ch4和n2在整体混合生长气体中流量占比相差较大时(ch4的气体流量是n2的气体流量的100倍左右时)能够使制备得到的多晶金刚石膜表面晶向更整齐，因此，此处还基于上述发现提供了一个较优的生长气体流量比范围：h2、ch4和n2的气体流量比为(100-1000)：(10-50)：(0.01-0.5)，且n2的流量占比介于0.03％到0.06％之间，且更为优化地，n2的流量占比范围可以缩小至介于0.03％到0.06％之间。
32.本实施例中，基于n2的流量占比较少，因此在调整上述三种流量的占比时，可以先确定h2的流量后即确定ch4的流量占比(如6％或者6.5％等，)并混入ch4，最后再确定n2的流量。
33.步骤s30：经过第一预设时间后，关闭ch4和n2，并通入o2，将h2和o2的混合气体作为刻蚀气体。
34.本实施例中，第一预设时间可以为介于0.5～1.5个小时之间的任一时间长度，如，1小时、1.2小时或者1.5小时等，且本领域技术人员可以理解，基于具体应用场景中一般对多晶金刚石膜的整体生长时间(也即下述的预设生长时间)具有一定的要求，因此，当第一预设时间相对较短时，下述的重复次数一般相应的相对较多。
35.本实施例中，基于o2具有强氧化性，仅在o2气氛下进行刻蚀有较大影响多晶金刚石结构的均匀性和完整性的可能性，因而此处在经过一个第一预设时间的生长后，仅关闭ch4和n2，而将h2保持通入状态，从而使最终的刻蚀气体为h2和o2的混合气体，实现对具有强氧化性的o2的稀释，能够防止仅在o2气氛下进行刻蚀出现的影响多晶金刚石结构的均匀性和完整性的问题，且此效果仅通过保持h2的通入即可实现，能够进一步降低该多晶金刚石膜的制备方法的实现难度。
36.本实施例中，o2的流量占比介于1％到4％之间，如1％、3％或者4％等。
37.步骤s40：经过第二预设时间后，关闭o2，并复通入ch4和n2，将h2、ch4和n2的混合气体作为生长气体。且本步骤中，当复通入ch4和n2后，即回归入了步骤s10，实现步骤s10-步骤s40的循环，而当重复若干次后，若干个第一预设时间之和达到预设生长时间，上述循环需结束时，ch4、h2、n2以及o2均关闭，多晶金刚石也制备完成。
38.本实施例中，第二预设时间可以为5～15分钟之间的任一时间长度，如5分钟、8分钟或者10分钟等。
39.本实施例中的多晶金刚石膜的制备方法，通过设置生长-刻蚀-生长-刻蚀的循环生产方式，也即在一次生长后均通过一次刻蚀去除多晶金刚石薄膜表面石墨相等杂质，能够减少最终制备得到的多晶金刚石薄膜内的杂质，提高最终制备得到的多晶金刚石膜的质
量；此外，通过在一次生长结束后仅关闭ch4和n2，而将h2保持通入状态形成h2和o2的混合气体作为刻蚀气体，实现对具有强氧化性的o2的稀释，能够防止仅在o2气氛下进行刻蚀出现的影响多晶金刚石结构的均匀性和完整性的问题，且此效果仅通过保持h2的通入即可实现，能够进一步降低该多晶金刚石膜的制备方法的实现难度。
40.下面以两个具体实施方式及其对应制备得到的多晶金刚石膜的表面扫描电子显微镜(sem)照片为例进行进一步说明，以佐证上述生长气氛下生长得到的多晶金刚石膜的质量较高的内容。
41.具体实施方式1
42.步骤a：利用硅片作为多晶金刚石薄膜外延衬底，在硅片表面均匀覆盖一层金刚石晶种，并将其置于化学气相沉积反应室中。
43.步骤b：设置化学气相沉积反应室中的生长气体为h2、ch4和n2的混合气体，且腔体流量比为h2：ch4：n2＝376sccm：24sccm：0.45sccm。此外，设置功率为4000w，腔体压强为180mbar，温度为900℃。
44.步骤c：在上述条件下生长1h后，关闭ch4和n2，加入1％o2，在h2和o2氛围中进行刻蚀。
45.步骤d：刻蚀5分钟后，关闭o2，通入ch4和n2，继续生长。
46.且重复上述步骤，直至生长达到8h，此时，生长得到的多晶金刚石膜表面扫描电子显微镜(sem)照片如图1所示，该多晶金刚石膜表面100取向很高，晶粒多为方形。
47.具体实施方式2
48.步骤a：利用硅片作为多晶金刚石薄膜外延衬底，在硅片表面均匀覆盖一层金刚石晶种，并将其置于化学气相沉积反应室中。
49.步骤b：设置化学气相沉积反应室中的生长气体为h2、ch4和n2的混合气体，且腔体流量比为h2：ch4：n2＝376sccm：24sccm：0.9sccm。此外，设置功率为4000w，腔体压强为180mbar，温度为900℃。
50.步骤c：在上述条件下生长1h后，关闭ch4和n2，加入1％o2，在h2和o2氛围中进行刻蚀。
51.步骤d：刻蚀5分钟后，关闭o2，通入ch4和n2，继续生长。
52.且重复上述步骤，直至生长达到8h，此时，生长得到的多晶金刚石膜表面扫描电子显微镜(sem)照片如图2所示，该多晶金刚石膜表面晶粒精细密集，而且晶向杂乱不规则。
53.实施例2
54.本实施例提供了一种辐射探测器。该辐射探测器中的金刚石薄膜为使用上述实施例1所述的多晶金刚石膜的制备方法制备得到。
55.本实施例中的辐射探测器可以为现有内部具有金刚石薄膜的辐射探测器中的任意一种，其具体结构在此不做限制。
56.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。