【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金刚石单晶与多晶材料及其制备的，涉及微波等离子体化学气相沉积高速率生长金刚石单晶的方法和装置。此方法通过结合外电源加热模式的沉积台与偏压电源的方法调控生长多晶与单晶的衬底温度，达到单晶与多晶共同沉积的目的；本专利技术还提供一种特殊的用于多晶与单晶共沉积的衬底托结构，通过设置单晶衬底与多晶衬底不同的底部散热结构，结合外加电源加热的方法可以同时调控单晶衬底与多晶衬底的温度；此外，衬底台连接的偏压电源将持续为衬底表面提供偏压，引导离子轰击从而改善单晶与多晶的生长质量，起到生长高质量单晶与多晶的目的。
技术介绍
1、采用化学气相沉积（cvd）方法在异质基底上生长多晶金刚石膜在20世纪80年代初被提出。由于此方法的沉积成本低，可大面积沉积多晶金刚石膜等特点，异质生长多晶金刚石膜的技术在近些年得到迅速发展，并在技术上已经成熟。但多晶金刚石由于晶粒之间的竞争生长机理所导致的晶粒取向不一致、衬底表面散热所引起的温度不均匀、等离子体球大面积分布下各处状态不同及其与温度的耦合差异等因素，使得多晶金刚石膜中存在大量晶界和缺陷，无法满足在电子器件方面的广泛应用的要求。在能量密度更高、腔室结构更加纯净mpcvd设备专利技术后，其沉积的同质外延单晶金刚石在质量方面远高于多晶金刚石膜，大部分以单晶金刚石作为籽晶同质外延生长的金刚石被广泛用于电子学的应用场景中。但由于单晶金刚石同质外延生长速率较慢，一般小于5-10微米/小时，生长厚度为毫米级别的单晶金刚石需要连续生长100-200小时以上，对生长系统的稳定性要求较高，且单晶金刚石因为同质外延生长
2、先进的单晶金刚石成本降低技术不仅需要高效的单晶生长速率，更需要高的等离子体利用率。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种单晶和多晶金刚石共同沉积的方法，利用一种新型的衬底台结构，氧气作为辅助气体，实现高效、高质量的金刚石共沉积。
2、本专利技术采用以下技术方案：一种单晶金刚石和多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，mpcvd衬底台中心区域放置单晶生长衬底，外侧边缘区域放置环状多晶衬底；生长过程中利用单晶与多晶生长机制不同的原理，单晶金刚石为表面碳原子移动形成的台阶流生长，多晶金刚石为多个单晶在表面形成的柱状晶竞争生长；两者所需要的微波等离子体中含碳基团浓度不同，因此等离子体中心区域的单晶金刚石可以和边缘区域的多晶金刚石共同沉积。
3、进一步地，所述衬底台选用调控边缘多晶衬底温度的两种结构设置；衬底台结构中心区域用于放置单晶金刚石籽晶，外侧区域用于放置硅环以沉积多晶金刚石，通过调控多晶沉积区域下方用于散热的槽道区域来保证硅环温度为多晶金刚石沉积的适宜温度。在沉积过程中加入氧气提高沉积晶体质量，并且通过周期性地向衬底施加偏压氧气刻蚀减少多晶沉积中的石墨相和单晶沉积中的边缘多晶的产生；通过调整多晶衬底下方散热槽宽度，调整多晶下方电阻丝加热功率将多晶衬底表面温度设置为金刚石适宜的生长温度，达到单晶多晶共沉积的目的。
4、进一步地，所述衬底台衬底底部连接偏压电源，此偏压电源在多晶与单晶共沉积过程中持续向衬底表面输出负偏压，引导等离子体中的正离子持续轰击单晶和多晶生长面，为单晶表面的台阶流生长和多晶的柱状晶生长提供能量，并去除单晶表面的二次形核晶粒与多晶表面的石墨相。
5、进一步地，所述的的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，共沉积为多晶与单晶共同沉积的钼托结构，中心单晶衬底与边缘多晶环状衬底共同设置，通过电阻丝及钼托散热结构，结合氧气及偏压电源循环刻蚀的生长方法；使用氩气作辅助气体，周期性通入氧气刻蚀，衬底辅助施加负偏压的方式，具体步骤如下：
6、步骤一、使用1：3的硫酸与硝酸的混合溶液和丙酮先后清洗单晶金刚石衬底；使用粒径为4-6微米的金刚石颗粒研磨硅环衬底表面8-12分钟至其表面布满微小划痕；
7、步骤二、在步骤一中的单晶金刚石和硅环衬底放入mpcvd设备中通入h2/o2等离子体刻蚀表面缺陷；
8、步骤三、在步骤二完成后通过调整mpcvd设备腔压与功率至单晶金刚石衬底表面达到820-1000℃的生长温度；
9、步骤四、在步骤三完成后通过调整钼托外环电阻丝功率将边缘的硅衬底温度加热至多晶金刚石850-1100℃的生长温度，通入甲烷、氩气开始生长；
10、步骤五、在步骤四完成后打开衬底台连接的偏压电源，设定偏压电源输出电压，持续向衬底表面施加负偏压；
11、步骤六、在步骤五完成后的单晶多晶生长过程中以43-47小时为一周期，向腔室内通入一定量1%的氧气刻蚀。
12、进一步地，本专利技术中使用的一种新型衬底台结构为一种多晶金刚石与单晶金刚石共同沉积的连接偏压电源的衬底台结构，如图1所示，其中偏压电源的作用在于在衬底表面持续性施加偏压，这种做法用于引导等离子体中的正离子轰击衬底表面，其中的衬底台中心区域为单晶生长的衬底，边缘区域为多晶生长的衬底。
13、进一步地，这种多晶金刚石衬底为加工过的圆环形状，衬底台的俯视图如图2所示，多晶圆环的内外径可自由调控，以沉积生长符合各种尺寸需求的多晶金刚石片，中心的单晶生长区域的衬底为单晶衬底，外侧的多晶沉积衬底为单晶硅环。
14、进一步地，多晶金刚石衬底下方提供一种与钼托悬空的槽道，与钼托接触的部分硅片散热快，悬空部分散热较差，使得硅片整体温度升高，通过设置槽道宽度来改变多晶衬底的散热情况，使处在等离子体球边缘的硅衬底达到适宜的温度。
15、进一步地，钼托底部外环有一圈用于加热的电阻丝，此电阻丝的作用是通过加热来辅助钼托边缘多晶衬本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，MPCVD衬底台中心区域放置单晶生长衬底，外侧边缘区域放置环状多晶衬底；生长过程中利用单晶与多晶生长机制不同的原理，单晶金刚石为表面碳原子移动形成的台阶流生长，多晶金刚石为多个单晶在表面形成的柱状晶竞争生长；两者所需要的微波等离子体中含碳基团浓度不同，因此等离子体中心区域的单晶金刚石可以和边缘区域的多晶金刚石共同沉积。
2.根据权利要求1所述的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，所述衬底台选用调控边缘多晶衬底温度的两种结构设置；衬底台结构中心区域用于放置单晶金刚石籽晶，外侧区域用于放置硅环以沉积多晶金刚石，通过调控多晶沉积区域下方用于散热的槽道区域来保证硅环温度为多晶金刚石沉积的适宜温度；在沉积过程中加入氧气提高沉积晶体质量，并且通过周期性地向衬底施加偏压氧气刻蚀减少多晶沉积中的石墨相和单晶沉积中的边缘多晶的产生；通过调整多晶衬底下方散热槽宽度，调整多晶下方电阻丝加热功率将多晶衬底表面温度设置为金刚石适宜的生长温度，达到单晶多晶共沉积的目的。
3.根据权利要求2所述的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特
4.根据权利要求1中所述的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，共沉积为多晶与单晶共同沉积的钼托结构，中心单晶衬底与边缘多晶环状衬底共同设置，通过电阻丝及钼托散热结构，结合氧气及偏压电源循环刻蚀的生长方法；使用氩气作辅助气体，周期性通入氧气刻蚀，衬底辅助施加负偏压的方式，具体步骤如下：
5.根据权利要求2中所述的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，所述衬底台结构为一种多晶金刚石与单晶金刚石共同沉积的连接偏压电源的衬底台结构，其中偏压电源的作用在于在衬底表面持续性施加偏压，这种做法用于引导等离子体中的正离子轰击衬底表面，衬底台中心区域为单晶生长的衬底，边缘区域为多晶生长的衬底。
6.根据权利要求5中所述的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，所述多晶金刚石衬底为加工过的圆环形状，多晶圆环的内外径可自由调控，以沉积生长符合各种尺寸需求的多晶金刚石片，中心的单晶生长区域的衬底为单晶衬底，外侧的多晶沉积衬底为单晶硅环。
7.根据权利要求5中所述的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，所述多晶金刚石衬底下方提供一种与钼托悬空的槽道，与钼托接触的部分硅片散热快，悬空部分散热较差，使得硅片整体温度升高，通过设置槽道宽度来改变多晶衬底的散热情况，使处在等离子体球边缘的硅衬底达到适宜的温度。
8.根据权利要求7中所述的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，所述钼托底部外环有一圈用于加热的电阻丝，此电阻丝的作用是通过加热来辅助钼托边缘多晶衬底表面温度到达适宜的生长温度，改善钼托中心边缘温度均匀性，在单晶生长过程中保证边缘多晶衬底达到适宜的金刚石生长温度。
9.根据权利要求5中所述的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，所述衬底台低端连接偏压电源，这种偏压电源将输出负偏置电压给单晶和多晶衬底，吸引等离子体球中的正离子持续向衬底表面轰击，消除单晶衬底表面生长过程中产生的多晶小颗粒和多晶衬底表面生长过程中产生的非金刚石相。
...【技术特征摘要】
1.一种单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，mpcvd衬底台中心区域放置单晶生长衬底，外侧边缘区域放置环状多晶衬底；生长过程中利用单晶与多晶生长机制不同的原理，单晶金刚石为表面碳原子移动形成的台阶流生长，多晶金刚石为多个单晶在表面形成的柱状晶竞争生长；两者所需要的微波等离子体中含碳基团浓度不同，因此等离子体中心区域的单晶金刚石可以和边缘区域的多晶金刚石共同沉积。
2.根据权利要求1所述的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，所述衬底台选用调控边缘多晶衬底温度的两种结构设置；衬底台结构中心区域用于放置单晶金刚石籽晶，外侧区域用于放置硅环以沉积多晶金刚石，通过调控多晶沉积区域下方用于散热的槽道区域来保证硅环温度为多晶金刚石沉积的适宜温度；在沉积过程中加入氧气提高沉积晶体质量，并且通过周期性地向衬底施加偏压氧气刻蚀减少多晶沉积中的石墨相和单晶沉积中的边缘多晶的产生；通过调整多晶衬底下方散热槽宽度，调整多晶下方电阻丝加热功率将多晶衬底表面温度设置为金刚石适宜的生长温度，达到单晶多晶共沉积的目的。
3.根据权利要求2所述的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，所述衬底台衬底底部连接偏压电源，此偏压电源在多晶与单晶共沉积过程中持续向衬底表面输出负偏压，引导等离子体中的正离子持续轰击单晶和多晶生长面，为单晶表面的台阶流生长和多晶的柱状晶生长提供能量，并去除单晶表面的二次形核晶粒与多晶表面的石墨相。
4.根据权利要求1中所述的单晶与多晶金刚石共沉积的方法，其特征在于，共沉积为多晶与单晶共同沉积的钼托结构，中心单晶衬底与边缘多晶环状衬底共同设置，通过电阻丝及钼托散热结构，结合氧气及偏压电源循环刻蚀的生长方法；使用氩气作辅助气体...
【专利技术属性】
技术研发人员：李成明，杨鏊，刘宇晨，郭之健，陈良贤，魏俊俊，刘金龙，张建军，欧阳晓平，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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