【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于单晶金刚石，尤其涉及周期性振幅与脉宽调制时空能量生长电子级单晶金刚石的方法。
技术介绍
1、单晶金刚石具有大的禁带宽度，大的击穿场强，高的热导率，高的载流子迁移率，低的介电常数以及良好的机械性能，这使得单晶金刚石成为理想的半导体材料，其也被称为“终极半导体材料”。目前主要的人造金刚石方式主要分为高温高压和化学气相沉积法制备，由于此法制备的单晶金刚石中含有较多的晶体缺陷和杂质，目前尚无法直接用于半导体器件的制备，但可作为cvd法外延生长金刚石的同质衬底材料。高质量的单晶金刚石主要通过微波化学气相沉积的方法由单晶金刚石衬底，同质外延生长来制备，微波化学气相沉积同质外延通过微波激发等离子体后，等离子中的碳氢基团被激发后碳原子沉积到单晶金刚石衬底表面。同质外延生长单晶金刚石原理是通过金刚石表面原子流动迁移导致的台阶式生长，生长过程中温度，等离子体功率密度等为原子迁移生长提供了能量，然而同质外延生长金刚石会由于温度分布，等离子体密度分布不均导致非金刚石相产生，甚至会产生多晶。因此提高同质外延单晶金刚石的常见思路是通过设定合适的参数提供足够的能量使原子在表面快速迁移形核形成台阶生长，并且在此过程中尽量减少多晶和缺陷的产生。传统的做法是降低甲烷流量，使用氢等离子体刻蚀表面缺陷。或者是使用偏压引导离子轰击晶体表面去除缺陷。但是这样做可能会导致刻蚀效果不充分或者是对单晶起到刻蚀作用，延缓其生长。西安交通大学王宏兴等(cn 112813497b)通过使用一种外延保护环辅助单晶进行生长来防止边缘多晶的产生。吉林大学李红东等(cn1005
2、先进的生长调控技术则是在不改变结构与反应元素的基础上改变等离子体能量，如通过改变碳源与氢气的比例调控等离子体中解离基团的数量，或是改变功率腔压比例使等离子体球形状改变，进而改变等离子体功率密度。本专利技术提供一种生长过程中给等离子体施加周期变换的可控电场来改变等离子体能量状态，达到高质量稳定生长半导体单晶金刚石的目的。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种周期性振幅与脉宽调制时空能量生长单晶金刚石的沉积方法，利用新型振幅和脉宽随时间递减的周期偏压电源，辅助氩气实现金刚石单晶的高质高效生长。
2、本专利技术采用以下技术方案：一种周期性振幅与脉宽调制时空能量生长单晶金刚石的方法，其特征在于采用振幅和脉宽随时间周期递减的偏压电源，在单晶生长过程中持续施加在衬底上，振幅为施加的电压(u)，脉宽是调制的时间(t)，当正负偏压电源施加在衬底上后会在等离子体和衬底之间产生一个电场，其中振幅提供离子和电子的能量，脉宽提供离子和电子与反应基团相互作用的时间，引导等离子体中的离子和电子交替向单晶台阶生长区域轰击，给化学气相沉积过程中的含碳基团提供能量，为原子在单晶金刚石表面的迁移提供能量，使原子在单晶金刚石表面规则排布，减少空穴、位错、层错等微小缺陷的产生；另一方面通过氢离子和电子轰击单晶金刚石表面，促进单晶侧边中的缺陷消失和sp2相向sp3相的转变，减少二次形核和多晶的产生。
3、进一步地，本专利技术中所使用的偏压电源为一种双极振幅和脉宽递减周期循环的脉冲偏压电源，如图1所示。其中双极的偏压施加方式相当于在衬底表面持续交替施加正负偏压。这种做法的充分吸收等离子体中的正负离子轮换轰击单晶金刚石表面，因为等离子体中的正负离子是有限度的，双极交变的偏压在长时间施加过程中可以很好保持等离子体基团的电中性，提高其稳定性。
4、进一步地，这种偏压电源的波形脉宽随时间递减，并呈周期性变化。脉宽递减的波形，通过包含不同宽度的脉冲偏压实现对不同尺寸的缺陷进行刻蚀。对于大尺寸的缺陷异相通过高脉宽偏压引导正负离子轰击消除，对于小尺寸的缺陷异相通过低脉宽偏压引导较少的正负离子轰击消除。
5、进一步地，这种偏压电源提供一种可以调节电压波形的模式，通过调节脉冲偏压的波形实现不同程度的偏压输出，如图2所示。在需要更多电子提供原子能量时设定较多的正偏压波数波峰，引导电子轰击单晶表面；在需要更多的正电荷离子轰击表面缺陷时则设定更多的负偏压波数及更高的波峰使大量氢离子和其它正离子去除表面缺陷。
6、如上所述周期性振幅与脉宽调制时空能量生长单晶金刚石的方法，其特征在于使用氩气作为辅助气体，辅助脉冲偏压生长的方式，具体步骤如下：
7、步骤一、使用硫酸与硝酸的混合溶液和丙酮先后清洗单晶金刚石衬底；
8、0步骤二、在步骤一中的单晶金刚石放入mpcvd设备中通入h2/o2等离子体刻蚀表面缺陷；
9、步骤三、在步骤二完成后向衬底施加双向脉宽周期递减的脉冲偏压偏压，并通入甲烷/氢气等离子体。
10、步骤四、调节步骤三中脉冲电压的脉冲周期，获得特定周期的脉冲偏压波形。
11、0步骤五、在生长过程中调节氩气流量，周期性通入氩气，并且使氩气流量逐步递减，与步骤四中的脉冲偏压波形一致。
12、本专利技术还公开一种脉冲偏压电源输出方式的设计方法，该方法如下：步骤一、设定输出偏压的峰值和谷值
13、步骤二、设定脉冲偏压的输出脉宽
14、步骤三、设定脉冲偏压波形的变化项：峰高或脉宽。
15、步骤四、设定脉冲偏压峰高、脉宽的变化步长。
16、步骤五、设定脉冲偏压变化周期。
17、本专利技术的有益效果是：1.在cvd单晶金刚石生长过程中，偏压的施加可以引导等离子体中的离子轰击金刚石表面，消除单晶边缘生长的多晶以及表面缺陷和石墨相。
18、 2.脉宽周期递减的双向脉冲偏压电源，其施加的双向偏压可以使等离子体基团中的正负离子轮流轰击金刚石表面，轰击效率更高，表面原子迁移能力更强，离子利用率更高。
19、3.偏压电源的脉宽递减的形式对于各种尺寸的缺陷都有一定的刻蚀作用，但有别于固定脉宽的偏压，这种递减脉宽的形式避免了因长时间的偏压处理所造成的过度损伤而使金刚石表面产生二次形核，保护单晶金刚石的生长。
20、 4.与脉冲偏压波形匹配的周期流量变化的氩气作为辅助气体，氩气作为一种辅助气体可以稳定等离子体基团，增加等离子体反应中额外的电离，提供高质量的氩离子轰击衬底表面，将能量转递给含碳基团，为表面台阶生长的原子迁移提供更高的能量，提高单晶金刚石生长质量。
21、 5.周期变化的氩气流量可以在提供本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种周期性振幅与脉宽调制时空能量生长单晶金刚石的方法，其特征在于采用振幅和脉宽随时间周期递减的偏压电源，在单晶生长过程中持续施加在衬底上，振幅为施加的电压(U)，脉宽是调制的时间(t)，当正负偏压电源施加在衬底上后会在等离子体和衬底之间产生一个电场，其中振幅提供离子和电子的能量，脉宽提供离子和电子与反应基团相互作用的时间，引导等离子体中的离子和电子交替向单晶台阶生长区域轰击，给化学气相沉积过程中的含碳基团提供能量，为原子在单晶金刚石表面的迁移提供能量，使原子在单晶金刚石表面规则排布，减少空穴、位错、层错微小缺陷的产生；另一方面通过氢离子和电子轰击单晶金刚石表面，促进单晶各类缺陷消失和sp2相向sp3相的转变，减少二次形核和多晶的产生。
2.根据权利要求1所述的一种周期性振幅与脉宽调制时空能量生长单晶金刚石的方法，其特征在于，所述的偏压电源为一种双极振幅和脉宽递减周期循环的脉冲偏压电源，其中双极的偏压施加方式相当于在衬底表面持续交替施加正负偏压；这种做法的充分吸收等离子体中的正负离子轮换轰击单晶金刚石表面，因为等离子体中的正负离子是有限度的，双极交变的偏压在长时间施
3.根据权利要求2所述的周期性振幅与脉宽调制时空能量生长单晶金刚石的方法，其特征在于，所述的偏压电源的波形脉宽随时间递减，并呈周期性变化；脉宽递减的波形，通过包含不同宽度的脉冲偏压实现对不同尺寸的缺陷进行刻蚀；对于大尺寸的缺陷异相通过高脉宽偏压引导正负离子轰击消除，对于小尺寸的缺陷异相通过低脉宽偏压引导较少的正负离子轰击消除。
4.根据权利要求2或3所述的周期性振幅与脉宽调制时空能量生长单晶金刚石的方法，其特征在于，所述的偏压电源提供一种可以调节电压波形的模式，通过调节脉冲偏压的波形实现不同程度的偏压输出，在需要更多电子提供原子能量时设定较多的正偏压波数波峰，引导电子轰击单晶表面；在需要更多的正电荷离子轰击表面缺陷时则设定更多的负偏压波数及更高的波峰使大量氢离子和其它正离子去除表面缺陷。
5.根据权利要求1所述的一种周期性振幅与脉宽调制时空能量生长单晶金刚石的方法，其特征在于，使用氩气作为辅助气体，辅助脉冲偏压生长的方式，具体步骤如下：
6.根据权利要求1所述的一种周期性振幅与脉宽调制时空能量生长单晶金刚石的方法，其特征在于，所述脉冲偏压电源输出方式的设计方法，具体步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种周期性振幅与脉宽调制时空能量生长单晶金刚石的方法，其特征在于采用振幅和脉宽随时间周期递减的偏压电源，在单晶生长过程中持续施加在衬底上，振幅为施加的电压(u)，脉宽是调制的时间(t)，当正负偏压电源施加在衬底上后会在等离子体和衬底之间产生一个电场，其中振幅提供离子和电子的能量，脉宽提供离子和电子与反应基团相互作用的时间，引导等离子体中的离子和电子交替向单晶台阶生长区域轰击，给化学气相沉积过程中的含碳基团提供能量，为原子在单晶金刚石表面的迁移提供能量，使原子在单晶金刚石表面规则排布，减少空穴、位错、层错微小缺陷的产生；另一方面通过氢离子和电子轰击单晶金刚石表面，促进单晶各类缺陷消失和sp2相向sp3相的转变，减少二次形核和多晶的产生。
2.根据权利要求1所述的一种周期性振幅与脉宽调制时空能量生长单晶金刚石的方法，其特征在于，所述的偏压电源为一种双极振幅和脉宽递减周期循环的脉冲偏压电源，其中双极的偏压施加方式相当于在衬底表面持续交替施加正负偏压；这种做法的充分吸收等离子体中的正负离子轮换轰击单晶金刚石表面，因为等离子体中的正负离子是有限度的，双极交变的偏压在长时间施加过程中可以很好保持等离子体基团的电中性，提高其稳定...
【专利技术属性】
技术研发人员：李成明，杨鏊，郭之健，刘宇晨，杨志亮，陈良贤，魏俊俊，刘金龙，张建军，李建林，郭明明，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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