專利名稱：微波法低溫沉積細晶粒金剛石薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用化學(xué)氣相沉積和工藝沉積，可用于光學(xué)領(lǐng)域的金剛石薄膜的技術(shù)。
目前，國內(nèi)外不同研究單位發(fā)明了各種不同的金剛石薄膜沉積工藝，包括用微波等離子體發(fā)生設(shè)備在較高溫度下沉積金剛石膜工藝(日本Sumitomo電器公司專利EP-376694)及用脈沖激光法(國際商業(yè)機器公司專利EP-382341)或電子束加熱或蒸發(fā)離化(國際商業(yè)機器公司專利EP-360994及美國加州大學(xué)專利US 4961958)石墨靶而低溫沉積金剛石膜的工藝。這兩類工藝與本發(fā)明有明顯的區(qū)別。前一類工藝要求基片溫度在沉積過程中維持在650-1200℃，因而限制了其在若干電學(xué)領(lǐng)域(如集成電路芯片的熱擴散膜)的應(yīng)用可能。后一類工藝雖可在低達100℃左右的溫度沉積薄膜，但其文獻未能證明其生產(chǎn)的薄膜具備晶體特征，其檢測手段(包括TEM衍射及Raman反射譜)僅能證明是一種具備金剛石結(jié)構(gòu)的非晶或微晶膜，而采用本工藝可在光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡下直接觀察到金剛石晶體。
本發(fā)明的目的在于提供一種新的工藝方法，同時具備前述兩類方法的優(yōu)點，而又能克服二者的缺陷，在溫度為200-600℃的范圍沉積出具有細小均勻多晶晶粒(約0.3μm-2μm)，表面光潔度較好的金剛石薄膜。
本發(fā)明的基本原理是，利用微波等離子體發(fā)生裝置把頻率為2.45GHz的微波介入作為工作室的石英管內(nèi)，電離管內(nèi)特定比例的氫、甲烷和氧的混合氣體，在1-100τ低壓下分解出氫和氧原子及各種含碳的離子及原子團，在基片表面沉積而產(chǎn)生金剛石，非晶碳及石墨的分子團，氣體中的氫和氧原子等對石墨及非晶碳產(chǎn)生選擇刻蝕，最終使基片上得到金剛石結(jié)構(gòu)為主的晶體組織，晶粒形核及長大到一定程度即成為一層尺寸均勻，致密的多晶膜層。
基片的預(yù)處理將拋光的基片(如<111>單晶硅)用0.5-5μm的金剛石粉末研磨(手工或超聲波)，洗凈后用丙酮及無水甲醇進行超聲波清洗;
膜的沉積把干凈的基片置于石英管內(nèi)，抽真空至3-1×10-2τ，根據(jù)要求選擇氫、甲烷和氧氣的比例(氫∶甲烷∶氧氣流量比＝99.8-80∶0.1-10∶0.1-10，單位為每分鐘標(biāo)準(zhǔn)升)一般工作氣體含有0.1-10%的高純氧氣，優(yōu)先選擇2-8%，0.1-10%的高純甲烷，優(yōu)先選擇為5-10%，余量為氫充入到工作室中，然后開微波高壓電源輸入微波功率，其值亦根據(jù)所需沉積基片的溫度及基片位置在100-500W之間選擇。此時膜即開始生長。本工藝還采取改變基片在等離子體內(nèi)及下方的位置，使基片溫度明顯降低的措施，使基片可處于從激發(fā)等離子中心到離開等離子體下表面垂直距離3cm的位置。
膜厚的控制從600-200℃的沉積溫度，膜厚度生長的速度從0.5μm/小時到0.005μm/小時之間變化，根據(jù)預(yù)測的變化范圍確定沉積時間以得到預(yù)定厚度的薄膜。沉積結(jié)束后即可取出基片進行測試。
本發(fā)明工藝簡單，工藝重復(fù)性強，又能在不同的材質(zhì)上(包括硅、石英、鉬等)沉積出晶形很好的細晶金剛石薄膜，且沉積溫度較低，某些基片的表面和內(nèi)部原有組織不受破壞，因此可以突破金剛石薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域，使該種膜用到光學(xué)(包括紅外光學(xué)，X-射線及激光)領(lǐng)域及電學(xué)(包括集成電路芯片散熱膜厚的直接沉積)領(lǐng)域而開發(fā)新的用途。
實施例(1)用5μm的金剛石粉末超聲波打磨40分鐘20×20mm2，厚0.5mm的拋光<111>單晶硅片，經(jīng)清洗，抽空后通入60SccM(每分標(biāo)準(zhǔn)升，(下同)氫氣，3SccM甲烷及1.2SccM氧氣，基片位于等離子體中心區(qū)，微波功率為500W，基片溫度經(jīng)校正后為580℃，沉積時間為24小時。對此薄膜掃描電鏡觀察的結(jié)果表明是一層致密均勻，顆粒尺寸為1.5μm左右，以<111>面為主的三角形(空間形狀為正八面體)的多晶金剛石膜，用Raman散射及X-射線衍射方法亦證明得到了具有良好晶體特征的金剛石膜，并且在200cm-1～1000cm-1的波數(shù)范圍觀察到金剛石膜對硅基片的紅外增透效果。
(2)基片與(1)相同，但用0.5μm金剛石粉研磨，清洗抽空后通入100SccM氫氣，5SccM甲烷及3SccM氧氣，工作壓力為10τ，基片位于等離子體內(nèi)下半?yún)^(qū)(距下表面1cm)，微波功率為150W，基片溫度為410℃，沉積時間為90小時，由此得到的薄膜仍均勻致密，顆粒尺寸為0.5-1μm，以(111)面為主。用Raman及X-射線衍射方法亦證明薄膜具有明顯的晶體特征。
權(quán)利要求
1.一種沉積金剛石薄膜的制造方法，用在真空鍍膜系統(tǒng)中微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備電離甲烷、氫和氧的混合氣體，并在基片表面實際溫度為200-600℃時沉積出細小晶粒(＜2μ)的多晶金剛石薄膜，其特征在于工作氣體中含有0.1-10%的高純氧氣，0.1-10%的高純甲烷，剩余為高純氫氣，工作氣體壓力為1-100τ，在金剛石膜沉積過程中采用微波功率為100-500瓦，并采取改變基片在等離子體內(nèi)及下方的位置，使基片溫度明顯降低的措施，使基片可以處于從激發(fā)等離子體中心至離開等離子體下表面直至垂直距離為3cm處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沉積金剛石薄膜的制造方法，其特征在于工作壓力優(yōu)先選擇1-20τ，甲烷優(yōu)先選擇5-10%，氧氣優(yōu)先選擇2-8%，余量為氫。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用化學(xué)氣相沉積工藝沉積可用于光學(xué)及電學(xué)領(lǐng)域的金剛石薄膜技術(shù)。其特征在于工作氣體中含有0.1—10％的高純氧氣，0.1—10％的高純甲烷，剩余為高純氫氣，工作氣體的壓力為1—100τ，在金剛石膜沉積過程中微波功率為100—500瓦。本發(fā)明的優(yōu)點在于工藝簡單、重復(fù)性強，突破了金剛石薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域，可用于光學(xué)、電學(xué)領(lǐng)域。
文檔編號C23C16/48GK1066299SQ9110258
公開日1992年11月18日 申請日期1991年4月28日 優(yōu)先權(quán)日1991年4月28日
發(fā)明者楊保雄, 呂反修, 蔣高松, 葉銳曾 申請人:北京科技大學(xué)