宽禁带半导体金刚石(5)

宽禁带半导体金刚石

宽禁带半导体金刚石

通过综合考虑和对上表数据分析、比较可知，微波等离子体化学汽相沉积（MPCVD）法具有综合的优势，是目前能够稳定沉积出比较均匀、纯净和高质量金刚石薄膜的最具前途的技术。它具有下列优点：（1）无内部电极，可以避免电极放电污染；（2）运行气压范围宽；（3）等离子密度高；（4）能量转化效率高；（5）微波与等离子体参数可以方便的控制；（6）可以产生大体积均匀的等离子体等。这一技术的优点还有：可以在沉积过程中对等离子体参数及薄膜表面生长情况进行观察和分析；可以配备独立的基片加热或冷却系统；轴对称椭球状等离子体不与真空器壁接触，从而减少了污染；可望在曲面或复杂表面上沉积金刚石膜。

最早使用MPCVD法进行沉积金刚石膜研究的是日本国家无机材料研究所。沉积气体在微波能量的作用下激发成等离子体状态，微波场是高频电磁场，电子在微波场作用下产生剧烈振荡，大大促进了其与别的原子和基团及分子的碰撞，提高了反应气体的离化程度并且能够产生高密度的等离子体。此方法的气体电离程度可达10％以上，满足过饱和条件使得CH4和H2沉积气氛环境充满了过饱和的H原子和含碳基团等，大大提高了沉积速率和改善了金刚石薄膜的沉积质量。

微波等离子体CVD又有ASTEX型和NIRIM型之分。ASTEX型装置如图1所示，微波通过天线，将波导内的TE10模式转换为TE01模式，经过

在电子器件方面的应用。NIRIM型装置如图2所示，

图2 NIRIM型装置图

2.45GHz的微波在矩形的波导中传播，通过调谐器的调节可以使最大电场强度出现在腔体的中心，从而在中心产生稳定的等离子体。现在所用的微波发生器的频率从2.45GHz已经扩展到900 MHz,微波功率也大大提高,目前最高可达到75kW以上，美国已商品化的微波源可达到9kW。同时在沉积过程中,衬底也可通过等离子体加热。采用高功率的微波等离子CVD装置，在较高气压下最大沉积速率可以达到几十微米/每小时。同时IEEE的关于金刚石的制备论文中,通过施加直流和交流偏压可以在光滑衬底上直接成核,并且得到了高度择优取向的金刚石膜[6]。

通过进一步分析发现，微波等离子体化学气相沉积法具有综合优势，能够稳定地沉积出比较均匀、纯净和高质量的金刚石膜，是目前最适合用于制造金刚石半导体器件和集成电路的技术。其主要原因是：MPCVD得到的金刚石膜化学纯度高，其中H杂质含量为1000ppm，硅杂质含量为10～100ppm，保证了金刚石膜的纯度。另外，MPCVD提供了非平衡态等离子体，电子温度高达上万度而离子温度低，从而保证了金刚石膜的低温沉积，避免了对基底的破坏。

在用MPCVD法生长金刚石膜中，急需要解决的是生长速率问题，在以前报道中[7-8]，同质外延生长高质量金刚石膜CH4与H2的比例降低到1％以下时，其生长速率小于1um/h。尤其是，要在（100）面上生长比较平整的金刚石膜，CH4与H2的比例要求要小于0.05%,然而其生长速率仅为0.01um/h。在Tokuyuki Teraji 等人的论文中[9]，他们利用

MPCVD

电子科技/2004年7月15日 47

图1 ASTEX型装置图

石英窗口而被耦合进腔体，使气体产生放电现象，即产生等离子体。等离子体中电子反过来通过碰撞而将能量释放，这一过程完成了加热、气体分子的分解、活性基团的形成以及薄膜淀积。这一方法淀积速率远大于10μm h，没有杂质污染，很适合于

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