微波法低温沉积细晶粒金刚石薄膜

摘要

本发明提供了一种用化学气相沉积工艺沉积可用于光学及电学领域的金刚石薄膜技术。其特征在于工作气体中含有0.1—10％的高纯氧气，0.1—10％的高纯甲烷，剩余为高纯氢气，工作气体的压力为1—100τ，在金刚石膜沉积过程中微波功率为100—500瓦。本发明的优点在于工艺简单、重复性强，突破了金刚石薄膜的应用领域，可用于光学、电学领域。

说明书

本发明属于用化学气相沉积和工艺沉积，可用于光学领域的金刚石薄膜的技术。

目前，国内外不同研究单位发明了各种不同的金刚石薄膜沉积工艺，包括用微波等离子体发生设备在较高温度下沉积金刚石膜工艺（日本Sumitomo电器公司专利：EP-376694）及用脉冲激光法（国际商业机器公司专利EP-382341）或电子束加热或蒸发离化（国际商业机器公司专利EP-360994及美国加州大学专利US  4961958）石墨靶而低温沉积金刚石膜的工艺。这两类工艺与本发明有明显的区别。前一类工艺要求基片温度在沉积过程中维持在650-1200℃，因而限制了其在若干电学领域（如集成电路芯片的热扩散膜）的应用可能。后一类工艺虽可在低达100℃左右的温度沉积薄膜，但其文献未能证明其生产的薄膜具备晶体特征，其检测手段（包括TEM衍射及Raman反射谱）仅能证明是一种具备金刚石结构的非晶或微晶膜，而采用本工艺可在光学显微镜或扫描电镜下直接观察到金刚石晶体。

本发明的目的在于提供一种新的工艺方法，同时具备前述两类方法的优点，而又能克服二者的缺陷，在温度为200-600℃的范围沉积出具有细小均匀多晶晶粒（约0.3μm-2μm），表面光洁度较好的金刚石薄膜。

本发明的基本原理是，利用微波等离子体发生装置把频率为2.45GHz的微波介入作为工作室的石英管内，电离管内特定比例的氢、甲烷和氧的混合气体，在1-100τ低压下分解出氢和氧原子及各种含碳的离子及原子团，在基片表面沉积而产生金刚石，非晶碳及石墨的分子团，气体中的氢和氧原子等对石墨及非晶碳产生选择刻蚀，最终使基片上得到金刚石结构为主的晶体组织，晶粒形核及长大到一定程度即成为一层尺寸均匀，致密的多晶膜层。

基片的预处理：将抛光的基片（如<111>单晶硅）用0.5-5μm的金刚石粉末研磨（手工或超声波），洗净后用丙酮及无水甲醇进行超声波清洗;

膜的沉积：把干净的基片置于石英管内，抽真空至3-1×10^-2τ，根据要求选择氢、甲烷和氧气的比例（氢∶甲烷∶氧气流量比＝99.8-80∶0.1-10∶0.1-10，单位为每分钟标准升）一般工作气体含有0.1-10%的高纯氧气，优先选择2-8%，0.1-10%的高纯甲烷，优先选择为5-10%，余量为氢充入到工作室中，然后开微波高压电源输入微波功率，其值亦根据所需沉积基片的温度及基片位置在100-500W之间选择。此时膜即开始生长。本工艺还采取改变基片在等离子体内及下方的位置，使基片温度明显降低的措施，使基片可处于从激发等离子中心到离开等离子体下表面垂直距离3cm的位置。

膜厚的控制：从600-200℃的沉积温度，膜厚度生长的速度从0.5μm/小时到0.005μm/小时之间变化，根据预测的变化范围确定沉积时间以得到预定厚度的薄膜。沉积结束后即可取出基片进行测试。

本发明工艺简单，工艺重复性强，又能在不同的材质上（包括硅、石英、钼等）沉积出晶形很好的细晶金刚石薄膜，且沉积温度较低，某些基片的表面和内部原有组织不受破坏，因此可以突破金刚石薄膜的应用领域，使该种膜用到光学（包括红外光学，X-射线及激光）领域及电学（包括集成电路芯片散热膜厚的直接沉积）领域而开发新的用途。

实施例

（1）用5μm的金刚石粉末超声波打磨40分钟20×20mm²，厚0.5mm的抛光<111>单晶硅片，经清洗，抽空后通入60SccM（每分标准升，（下同）氢气，3SccM甲烷及1.2SccM氧气，基片位于等离子体中心区，微波功率为500W，基片温度经校正后为580℃，沉积时间为24小时。对此薄膜扫描电镜观察的结果表明是一层致密均匀，颗粒尺寸为1.5μm左右，以<111>面为主的三角形（空间形状为正八面体）的多晶金刚石膜，用Raman散射及X-射线衍射方法亦证明得到了具有良好晶体特征的金刚石膜，并且在200cm^-1～1000cm^-1的波数范围观察到金刚石膜对硅基片的红外增透效果。

（2）基片与（1）相同，但用0.5μm金刚石粉研磨，清洗抽空后通入100SccM氢气，5SccM甲烷及3SccM氧气，工作压力为10τ，基片位于等离子体内下半区（距下表面1cm），微波功率为150W，基片温度为410℃，沉积时间为90小时，由此得到的薄膜仍均匀致密，颗粒尺寸为0.5-1μm，以（111）面为主。用Raman及X-射线衍射方法亦证明薄膜具有明显的晶体特征。