[发明专利]基于射频电源施加偏压以增强CVD金刚石异质外延形核的方法

说明书

基于射频电源施加偏压以增强CVD金刚石异质外延形核的方法，本发明属于化学气相沉积法异质外延单晶金刚石生长领域，它为了解决绝缘异质衬底难以有效施加负偏压的问题。外延形核的方法：一、将底部开有凹槽腔的样品托放置于CVD腔体内的水冷台上，射频电源的一电极通过导线连接到CVD腔体外壳上并接地，射频电源的另一电极通过导线经水冷台连接到样品托上；二、将异质衬底放置在样品托中心位置，CVD腔体抽真空；三、升温过程，通入氢气；四、控制甲烷气体浓度，进行偏压增强形核；五、生长过程及结束。本发明通过射频电源，避免了直流偏压施加过程中绝缘异质衬底电势升高导致无法正常施加偏压，实现了绝缘异质衬底上高密度外延形核。

技术领域

本发明属于化学气相沉积法异质外延单晶金刚石生长领域，尤其涉及一种基于射频电源施加偏压用于增强金刚石异质外延形核的方法。

背景技术

金刚石具有优异的力声热电光等性质，是典型的超宽禁带半导体。根据是否存在晶界，金刚石又可以分为多晶金刚石与单晶金刚石。一般情况下，多晶金刚石在热沉、红外和微波窗口、耐磨涂层等方面可以满足应用要求，但是要想真正发挥金刚石的优异电学性质，以求在以探测器(比如紫外探测器、辐射探测器)、功率器件(比如场效应晶体管、二极管)等关键领域有所建树，多晶金刚石就无法与单晶金刚石相匹敌。这主要是因为多晶内晶界的存在导致载流子迁移率以及电荷收集效率大幅度降低，使得其所制备的电子器件性能受到严重抑制。

大尺寸天然单晶金刚石极其稀少并且价格昂贵，要想应用基本不可能，所以为了真正将单晶金刚石的优异电学性质应用于相关的军用民用领域，制备大尺寸高质量的单晶金刚石是必须要解决的技术问题。单晶金刚石的制备有两种，分别是HPHT法和CVD法。HPHT法制备的单晶金刚石一般含有氮杂质，影响金刚石质量；尺寸较小(一般为几毫米大小)；成本昂贵，技术要求苛刻，以上缺点直接决定HPHT金刚石只能应用于低端领域，而在高新技术领域无法满足需求。CVD法又可以分为同质外延工艺与异质外延工艺。异质外延工艺是指在非金刚石衬底上通过高密度外延形核，并通过控制生长工艺实现晶粒合并与织构生长进而获得大尺寸外延单晶金刚石膜的方法。该方法相比同质外延实现大尺寸往往需要采用马赛克拼接法、重复生长法、三维生长法等手段但都无法完全湮灭晶界相比具有更大优势。

异质外延工艺需要解决的最重要问题是高密度外延形核，目前最典型的方法是偏压增强形核工艺，也就是通过在异质衬底上施加一定大小的直流负偏压，在电场的作用下CVD谐振腔中等离子体中的高能C_xH_y⁺离子快速轰击衬底表面与衬底之间进行相互作用，随后基于C在衬底当中的溶解-析出过程在衬底表面形成非晶碳、石墨或者其他过渡层，金刚石在过渡层表面或者与衬底的界面处由于浓度起伏但受限于衬底的“模板”效应边界条件，最终发生“自组装”外延形核过程，初级晶核形成后在晶核周围产生大量的次级晶核，也就是完成了高密度外延形核。

目前报道的施加偏压的方式是通过外接直流偏压电源实现的，也就是控制电源输出的正极外接CVD设备腔体然后接地而放置异质衬底的样品托连接负极，或者正极连接在伸进等离子体内部的环形电极而负极连接在放置异质衬底的样品托然后接地，进而实现在异质衬底上获得一定大小的负偏压。但是这种直流偏压的施加方式有一个不足就是无法对绝缘异质衬底施加偏压，因为高能C_xH_y⁺离子在轰击绝缘衬底时，正电荷在衬底上面聚集，导致衬底表面电势升高，使得异质衬底与正极之间的电势差逐渐降低为0，进而偏压电源无法直接施加在绝缘衬底上而是完全避开衬底施加在导电的样品托上。而目前的异质衬底主要具有多层复合结构，比如Ir/MgO,Ir/SrTiO₃,Ir/SrTiO₃/Si,Ir/YSZ/Si，Si,SiC等。这些异质衬底都存在绝缘的氧化物陶瓷作为过渡层，在施加偏压时都不可避免的遭遇上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决绝缘异质衬底难以有效施加负偏压，形核密度较低的问题，而提供一种通过射频电源施加偏压用于增强CVD金刚石外延形核的方法。