H<SUP>+</SUP>离子刻蚀金刚石核制备(001)高取向金刚石薄膜的方法

摘要

本发明涉及一种采用H⁺离子刻蚀技术生长具有高品质特性的、(001)高取向的金刚石薄膜制备方法。该方法采用微波等离子体化学气相沉积或热灯丝辅助的化学气相沉积设备和工艺进行，首先在单晶硅衬底上施加负直流偏压，以甲烷和氢气为原料气体，由偏压成核、偏压刻蚀和织构生长金刚石薄膜三个步骤进行，在单晶硅衬底上生长出(001)高取向的金刚石薄膜。本发明制备的金刚石薄膜厚度小于2微米，具有低晶界密度和杂质浓度、表面光滑、(001)高取向、低应力和高附着力等优点，在力学、光学、电学和热学等领域有广泛的应用。

主权项

1.一种H+离子刻蚀金刚石核制备(001)高取向金刚石薄膜的方法，采用微波等离子体化学气相沉积或热灯丝辅助的化学气相沉积设备，首先在单晶硅衬底上施加负直流偏压，以甲烷和氢气为原料气体，进行偏压成核和织构生长；其特征在于：在偏压成核后采用偏压刻蚀工艺再进行织构生长；其具体工艺按以下步骤进行：(1)偏压成核，对镜面抛光的单晶硅衬底表面施加负的直流偏压，在石墨衬底支架上相对接地的反应室外壳施加-100至-200V的直流负偏压，此时微波功率为700-1000W或灯丝温度为2000-2200℃，反应压力为20-30mbar，衬底温度为700-1000℃，并通入CH4和H2，H2流量为100-200sccm，CH4和H2气体用量按体积比为3-7％，偏压成核时间为15-25分钟；(2)偏压刻蚀：偏压刻蚀是在偏压成核后，只保留氢气，并提高氢气的流量至300-600sccm，将直流负偏压降至-60V至-130V，保持压力与衬底温度不变，反应压力为20-30mbar，衬底温度为700-1000℃，微波功率700-1000W或灯丝温度2000-2200℃，使偏压下形成的H+离子束流对衬底表面的金刚石核进行30-60分钟的刻蚀；(3)织构生长：关闭偏置电压，将H2流量降至100-200sccm，通入CH4，CH4和H2的体积比为1-4％，温度700-800℃，压力35-40mbar，微波功率1000-1300W或灯丝电流2100-2300℃。