[发明专利]金刚石制造方法和DC等离子体增强CVD装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造金刚石的方法和用于金刚石制造的直流等离子体增强CVD装置。

背景技术

金刚石具有5.47eV的宽带隙和10MV/cm的非常高的介电击穿电场强度。它的热导率是材料中最高的。因此，金刚石可以有利地用于构造大功率电子设备。

此外，由于高漂移迁移率和Johnson品质因数，因此金刚石作为高速电子设备在半导体中是最有利的。Johnson品质因数表明设备中载流子迁移的速度，更高的品质因数对应于更高的迁移速度。因此，金刚石被认为是适用于高频率/大功率电子设备的最终半导体。

对包括覆盖有金刚石膜等的衬底的多层结构给予了关注。当前用于金刚石半导体制造的大多数单晶金刚石是通过高压方法合成的Ib型金刚石。由于Ib型金刚石包含更多的氮杂质并且仅可以以大约5平方毫米左右的尺寸制造，因此它们具有很少的应用。

相反，化学气相沉积（CVD）方法具有多晶金刚石可以制造为具有约6英尺（150mm）直径的大面积和高纯度的金刚石膜的优点。然而，CVD方法难以合成适用于大多数电子设备的单晶金刚石。这是由于在本领域中单晶硅通常用作衬底。由于硅和金刚石的晶格常数有很大不同（52.6%的失配），因此很难在硅衬底上异质外延地生长金刚石。

为了克服此问题进行了努力。例如，非专利文件1和2报告说金刚石膜通过CVD方法有效地形成在铂（Pt）或者铱（Ir）的底涂层上。目前，对铱的研究已经是相当深入的。方法涉及以下步骤：提供单晶MgO的衬底，在其上异质外延地生长铱膜，预处理Ir膜表面（即，通过DC等离子体增强CVD方法用氢稀释的甲烷气体实现偏置处理），以及在预处理的铱膜上沉积金刚石膜。获得的金刚石具有从早期亚微米到目前若干毫米的尺寸。金刚石部分的厚度是从几微米至约100微米（μm）。例如，在非专利文件3中，持续沉积8小时直到获得大约100μm厚的金刚石膜。

然而，当在传统DC等离子体增强CVD装置中持续金刚石沉积几小时或更久时，由于沉积的金刚石是绝缘体，因此电荷堆积在衬底表面上。异质衬底也形成在相对电极的表面上，从而导致电荷堆积。这种电荷堆积起到延迟金刚石生长速率的作用并且导致频繁发生火花，从而导致在金刚石中引入缺陷和裂缝。

引用列表

专利文件1：JP-A2011-084411(US20110084285)

专利文件2：JP-A2010-159465(US20100178730）

非专利文件1：Y.Shintani,J.Mater.Res.,11,2955(1996)

非专利文件2：K.Ohtsuka,Jpn.J.Appl.Phys.,35,L1072(1996)

非专利文件3：S.Maeda,et al,the18th diamond symposium lecture summary,pp.10-11(2004)

发明内容

本发明的目的在于提供用于在维持金刚石生长的稳定速率的同时制造优质金刚石的方法，以及用于金刚石制造的DC等离子体增强CVD装置。

在一个方面，本发明提供用于制造金刚石的方法，包括通过在用于固定衬底的平台电极与电压施加电极之间施加DC电压的DC等离子体增强CVD方法，在衬底上从包括至少含碳气体与氢气的气体混合物中生长金刚石的步骤。在通过施加DC电压生长金刚石的步骤期间，以预定时序在平台电极与电压施加电极之间施加与用于金刚石生长的DC电压极性相反的单脉冲电压。

在优选实施例中，在施加用于金刚石生长的步骤期间，平台电极充当阳极以及电压施加电极充当阴极。

在优选实施例中，当平台电极与电压施加电极之间的充电电压达到用于金刚石生长的DC电压的至少1/3时，施加相反极性的单脉冲电压。

在优选实施例中，在高达每100μs1个脉冲的恒定周期内施加相反极性的单脉冲电压。

在优选实施例中，相反极性的单脉冲电压具有对应于用于金刚石生长的DC电压的1/30至1因数的值。

在另一个方面，本发明提供DC等离子体增强CVD装置，包括真空室，用于固定衬底的平台电极与设置在真空室中的电压施加电极结合在一起，用于在平台电极与电压施加电极之间施加DC电压的DC电源，用于在DC电源的输出电压上叠加脉冲电压的脉冲电压叠加单元，以及用于将反应性气体注入真空室中的进给工具，其中通过在平台电极与电压施加电极之间施加DC电压在衬底上生长金刚石，并且在金刚石生长期间以预定时序实现电压控制，从而在平台电极与电压施加电极之间施加与用于金刚石生长的DC电压极性相反的单脉冲电压。