[发明专利]基于网格化结构电极提高金刚石异质外延形核均匀性的方法

说明书

基于网格化结构电极提高金刚石异质外延生长均匀性的方法，本发明属于化学气相沉积法异质外延单晶金刚石领域，它为了解决金刚石大面积外延生长均匀性差的问题。一、衬底位于样品台的中心处，将网格化电极放置在腔体底座上；二、设备抽真空；三、升温过程；四、开启直流偏压电源，进行偏压增强形核；五、降低甲烷浓度，开始进行金刚石外延生长；六、外延金刚石膜光刻图形化加工与生长。本发明在偏压增强形核过程中，通过网格化结构Mo电极能够促使等离子体聚集于网状结构Mo电极表面，等离子体内部的正离子在复合衬底上方聚集形成辉光层，辉光层的均匀性提高也使得金刚石外延形核的均匀性得以提高。

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领域，具体涉及一种基于网格化结构电极提高金刚石异质外延形核均匀性的方法。

背景技术

金刚石被誉为“终极半导体”，而单晶结构的金刚石凭借内部无不规则晶界存在的特点，在电学性质上较多晶金刚石更具有竞争性。可是，要实现单晶金刚石在探测器、电力电子器件、集成电路等高精尖半导体领域的应用，大尺寸高质量自支撑单晶金刚石的制备是必不可少的。

单晶金刚石的人工合成主要包括高温高压(HPHT)法和化学气相沉积(CVD)法两种方法。HPHT法制备的单晶金刚石尺寸非常有限，无法获得大尺寸的单晶金刚石。通过CVD法可以制备大尺寸、高质量，性能优异的单晶金刚石，异质外延工艺是一种重要的CVD手段，指在异质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。通过选择合适的大面积衬底材料，理论上可以获得大尺寸的单晶金刚石膜。异质外延被视为制备大尺寸单晶金刚石的关键技术，而微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法被认为是最有希望实现制备大尺寸、低缺陷、高纯度单晶金刚石的方法。目前最有效的异质衬底和外延形核方法为Ir复合衬底和偏压增强形核法(BEN)。

大尺寸衬底通过电子束蒸镀工艺、磁控溅射工艺、分子束工艺可以获得，而MPCVD法实现异质衬底上外延生长大面积单晶金刚石膜时，最重要的问题是实现大面积高密度均匀外延形核。而外延形核密度与均匀性又很大程度上取决于等离子体分布的均匀性以及直流BEN过程中直流辉光层分布的均匀性，进而影响异质衬底的温度均匀分布。由于Ir复合衬底上层为金属Ir膜，属于金属材料，在MPCVD腔体内，往往在边缘处存在等离子体聚焦效应，这样使得采用异质衬底进行形核生长时，会出现衬底边缘由于等离子体密度高有明显的金刚石外延形核而中心区域外延效果不理想的现象，严重制约了形核后大尺寸单晶金刚石膜的高质量均匀生长另外国内外有众多团队在进行该方向研究，但目前只有德国Schreck团队在2017年“Ion bombardment induced buried lateral growth:The key mechanismfor the synthesis of single crystaldiamond wafers”文献中报道过直径接近4英寸的自支撑金刚石，其他团队仍然处于攻坚克难阶段，这也再次证明该瓶颈问题的复杂性。

发明内容

本发明的目的是为了解决金刚石大面积外延形核均匀性差的问题，而提供一种通过向等离子体内部插入网格化结构绝缘Mo环电极提高等离子体球均匀性，从而改变样品上方等离子体分布进而提高金刚石异质外延形核均匀性的方法。

本发明基于网格化结构电极提高金刚石异质外延形核均匀性的方法按照以下步骤实现：

一、放置网格化结构电极，连接直流电源电极：

将样品台放置在水冷台上，衬底位于样品台的中心处，然后将网格化电极放置在腔体底座上，网格化电极中的金属丝网位于衬底的正上方，直流偏压电源的正极连接腔体并接地，直流偏压电源的负极连接样品台，完成直流电源的连接，抽气气路的一端穿过水冷台与样品台的气腔相连通，抽气气路的另一端与气泵相连；

二、设备抽真空：