本發(fā)明涉及一種脈沖正偏壓增強cvd金剛石異質外延形核的方法，屬于cvd法異質外延單晶金剛石。

背景技術：

1、金剛石作為典型的超寬禁帶半導體，具有比傳統半導體更優(yōu)異的熱學、電學性能。同時，單晶金剛石由于不存在晶界，載流子遷移率以及電荷收集效率大大提高，相比于多晶金剛石來說，在探測器以及功率器件等領域潛力巨大。由于設備以及工藝的突破，多晶金剛石尺寸可達200~300?mm，在熱沉、微波窗口、耐磨涂層等方面基本可以滿足應用要求。然而大尺寸天然單晶金剛石極其稀少且價格昂貴，單晶金剛石成為半導體材料急需解決的技術問題就是如何制備大尺寸高質量的單晶金剛石。

2、制備大尺寸高質量單晶金剛石的主要途徑有三維生長、拼接生長、異質外延生長等。三維生長法雖然可以復制晶體結構來獲得高質量的外延層，但受限于晶種尺寸，難以滿足半導體器件對其尺寸的要求。拼接法生長和異質外延生長法是目前最常用的制備方法。其中拼接法克服了晶種尺寸的限制，但在拼接縫處存在界面位錯、多晶和缺陷等問題，影響外延單晶金剛石質量，限制了大尺寸拼接金剛石在半導體方面的先進應用。而異質外延生長工藝是指在非金剛石襯底上通過高密度外延形核，并通過控制生長工藝實現晶粒合并與織構生長進而獲得大尺寸外延單晶金剛石膜的方法。該方法相比于三維生長以及拼接生長的途徑有更大優(yōu)勢。

3、異質外延工藝最重要的技術問題是高密度外延形核。目前最普遍的工藝就是偏壓增強形核法，在異質襯底上施加一定的偏壓，腔體內等離子體在電場的作用下加速轟擊襯底并相互作用，在碳的溶解-析出過程中形成一層非晶碳膜，當表面碳濃度飽和則會沿著異質膜晶界析出金剛石核。對cvd設備施加直流負偏壓是目前報道的主流方式，就是將偏壓電源的正極外接cvd設備腔體接地而負極則連接樣品托。但是如果襯底絕緣，這種偏壓施加方式基本無效。

4、上述對cvd設備施加直流負偏壓的技術中，為了解決襯底絕緣的問題，中國專利cn112695382a公開了一種基于網格化結構電極提供金剛石異質外延形核均勻性的方法，但該技術并未從根本上解決異質襯底不導電的問題，使等離子場中的電荷在襯底表面積累，引起襯底溫度過高，從而破壞了異質襯底的模板效應。還有學者提出在異質襯底底部以及四周沉積金屬膜（cn114134566a，cn113430642a），或者設計輔助裝置（cn112813497a），這些操作方法雖然能解決部分問題，但是直流負偏壓易引起襯底溫度過高，導致溫度不均以及襯底發(fā)生翹曲，從而大大限制了偏壓形核效果。

技術實現思路

1、為了解決高密度外延形核的問題，且保持形核的均勻性，本發(fā)明旨在提供一種脈沖正偏壓增強cvd金剛石異質外延形核的方法。

2、本發(fā)明利用直流脈沖電源通過非連續(xù)的脈沖方式來轟擊基體表面，改變了基體內部與表面之間的溫度梯度，達到熱均衡補償效果，減少對基體的熱損傷，有效避免了異質襯底表面銥膜剝落或異質襯底崩裂現象，較好地實現了大尺寸單晶金剛石的外延完整性；另一方面，對基體施加脈沖正偏壓避免直流偏壓無法有效的對絕緣異質襯底施加偏壓，較為簡易的實現了在絕緣異質襯底上高密度外延形核的效果，對于異質外延單晶金剛石領域有著重要意義。本發(fā)明通過將cvd設備天線外接直流脈沖電源正極，在等離子體上方施加電場，使等離子體中的cxhy+離子在電場的作用下向鉬托以及表面用于外延的異質襯底遷移。同時在附加電場的作用下，等離子體被壓縮并在用于外延的異質襯底表面形成一層鞘層，避免因異質襯底導電性差而使電場嚴重削弱，大大提升了形核均勻性以及效率。

3、本發(fā)明提供了一種脈沖正偏壓增強cvd金剛石異質外延形核的方法，將承載樣品的鉬托放置于cvd腔體中央的水冷臺上，直流脈沖電源正極通過導線接到cvd設備天線上，并利用聚四氟乙烯（pvc）絕緣環(huán)使其與腔體絕緣，直流脈沖電源的另一電極通過導線連接到cvd腔體外殼上并接地；然后將用于外延的異質襯底置于鉬托中心位置，抽真空；接著通入氫氣，打開微波電源，逐漸增加功率并調節(jié)氣壓直至溫度達到600~800℃；最后控制甲烷濃度，打開脈沖偏壓電源，設置偏壓工藝參數進行增強形核，從而得到高密度外延形核的異質襯底。

4、上述的脈沖正偏壓增強cvd金剛石異質外延形核的方法，具體包括下列步驟：

5、(1)?將承載樣品的鉬托放置于cvd腔體中央的水冷臺上，直流脈沖電源正極通過導線接到cvd設備天線上，并利用聚四氟乙烯使其與腔體絕緣，直流脈沖電源的另一電極通過導線連接到cvd腔體外殼上并接地；

6、(2)?將用于外延的異質襯底放置在鉬托中心位置，關閉cvd腔體，打開真空泵以及氣路閥門開始抽真空，抽至本底真空1×10-4~5×10-4?pa；

7、(3)?通入氫氣，并控制其流量以及cvd腔體內氣壓，達到一定氣壓后啟動微波發(fā)生器，激活等離子體；

8、(4)?調節(jié)氫氣流量以及氣路閥門，逐漸平穩(wěn)的升高cvd腔體內氣壓、微波功率以及外延襯底的溫度；

9、(5)?不斷通過測溫槍測量外延襯底的表面溫度，當表面溫度達600~800℃時停止微波發(fā)生器；

10、(6)?通入0~500?sccm的甲烷氣體，并調節(jié)氣路閥門平衡氣壓在3-4?kpa；

11、(7)?待襯底表面溫度穩(wěn)定5~15?min后，打開直流脈沖偏壓電源，設置恒壓模式、電壓、占空比以及偏壓時間等工藝參數后，啟動電源進行偏壓增強形核；直流脈沖設置參數為：脈沖電壓為100~1000?v，優(yōu)選400~900v，脈沖占空比為10%~85%，偏壓時間為10~60?min。

12、(8)?偏壓增強形核完成，關閉直流脈沖偏壓電源以及設備，取出樣品，完成基于直流脈沖電源施加正偏壓以增強cvd金剛石異質外延形核的方法。

13、上述方法中，所述步驟（1）中，承載樣品的鉬托的厚度為1~5?mm，使低功率低氣壓下外延襯底溫度能達到要求。

14、上述方法中，所述步驟（2）中，用于外延的襯底為si、c-bn、sic或ir基復合襯底。

15、上述方法中，所述步驟(3)中，氫氣流量為50~600?sccm，啟動微波發(fā)生器時的腔體氣壓為0.4~0.8?kpa。

16、上述方法中，所述步驟(4)中，氣壓升高的速率為0.1~0.5?kpa/min，功率升高的速率為50~200?w/min，溫度升高速率為30~70℃/min；外延襯底溫度為600~800℃，腔體內氣壓為3~4?kpa，微波功率為1500~2000?w。

17、上述方法中，所述步驟(6)中，甲烷（ch4/h2）流量為0~500?sccm，甲烷體積分數為1%~5%。

18、本發(fā)明的有益效果：

19、（1）本發(fā)明利用直流脈沖電源通過非連續(xù)的脈沖方式來轟擊基體表面，改變基體內部與表面之間的溫度梯度，達到熱均衡補償效果，減少對基體的熱損傷；

20、（2）本發(fā)明同時對基體施加脈沖偏壓避免直流偏壓無法有效的對絕緣異質襯底施加偏壓，實現了在絕緣異質襯底上高密度外延形核的效果；

21、（3）本發(fā)明在mpcvd裝置上施加正偏壓，避免了較復雜的樣品基臺的設計，同時可以獲得溫度均勻以及形核均勻的效果，對于大尺寸單晶金剛石的異質外延生長與應用具有重要意義。