專利名稱：一種激光化學氣相沉積金剛石膜的方法
技術領域：
本發明涉及人工制造金剛石膜領域，尤其適用于低溫(指＜400℃)金剛石膜制備。
金剛石膜有多方面的優良性能，如極高的硬度和耐磨性，極高的熱導率，從紫外到紅外光波長范圍內良好的光透性，大禁帶寬度，高電子、空穴遷移率，極好的化學穩定性，耐高溫，抗輻射等，在機、電、光、聲等方面都有應用或展示了重要的應用前景。激光化學氣相沉積是一種新的金剛石膜制造方法，在降低制備溫度、獲得高純度金剛石膜或實現予期的摻雜、提高沉積速率、獲得予定的選區沉積等方面顯示了獨特的優點和巨大潛力。日本公開特許公報(A)昭61-221371，平3-166369，曾公開了一種用ArF(波長193nm)激光制備金剛石膜的方法，文獻George W.et.al Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.162(1990)P173也報導了用KrF激光得到金剛石膜的方法，但，ArF和KrF激光較難獲得，激光器所用HF氣體有劇烈的腐蝕性，對激光器腔體、管路會帶來腐蝕及低壽命，除給操作者帶來很大不便外，還增加了不利健康甚致危險的因素，激光器的運行成本也較高。此外得到的金剛石膜普遍存在質量不高的缺點，用易得的單獨紅外激光化學氣相沉積出金剛石膜也曾見報道，但報導的最低沉積溫度是650℃，而金剛石膜的許多應用，如在半導體、超大規模集成電路、某些光學元件上，襯底不能經受≥400℃的高溫。還有一部分已有技術，是用激光和其它方法復合制備金剛石膜的，如激光與微波、電子轟擊等，這類方法增加了技術上的復雜性，并涉及其它技術領域。
本發明的目的在于提供一種激光化學氣相沉積生產金剛石膜的方法，其膜層純度高、沉積溫度低、易于實現、安全可靠。
本發明提供了一種激光化學氣相沉積金剛石膜的方法，最低沉積溫度為250℃，其特征在于選用波長在308nm的XeCl準分子激光作激光源，過程如下將欲沉積襯底放在高導熱率材料的工作臺上，用XeCl準分子激光輻照襯底欲沉積金剛石膜區，并在預抽真空的反應室中通入能吸收y該激光波長的碳氫化合物反應氣(含汽化液體或固體)和氫氣，碳氫化合物反應氣與氫氣的流量比為(1^3)∶100，在適當工藝條件下，在襯底表面沉積出金剛石膜，工藝條件是XeCl激光單脈沖能量 20-500mj/pulseXeCl激光脈寬 15-40ns脈沖頻率5-40Hz本發明的主要優點在于①可以在相對較低的溫度下(250℃)得到金剛石膜②可得到高純度金剛石膜③利于實現預期的摻雜④可方便獲得預定的選區沉積，包括得到設定的掃描圖像、切斷電路點、修改集成電路線路等。
⑤具有高沉積速率。
本發明在采用XeCl激光輻照的同時，還可復合輻照紅外激光，波長范圍在1.06μm-10.6μm。當紅外激光為CO2激光時，激光功率密度在30-100Wcm-2。
XeCl激光與紅外激光復合的優點是①擴大反應氣選擇范圍②比用單純紅外激光可降低沉積溫度③使XeCl紫外激光沉積金剛石膜易于實現實現本發明的裝置如
圖1，2，特點是(1)XeCl激光由XeCl準分子激光源輸出，有激光器控制系統和激光束聚焦或發散系統控制激光功率密度、單脈沖能量、脈沖頻率和輻照時間等參數。
(2)紅外激光由CO2、YAG或其它紅外激光器輸出，有激光器控制系統和激光束處理裝置控制光束形狀、激光功率密度和輻照時間。
(3)有反應氣系統按所需比例混合反應氣及氫氣，控制并顯示其流量。如反應物常溫下為液態或固態時，有加熱及汽化裝置。
(4)測溫系統測定襯底溫度。
(5)真空系統予抽反應室至所需真空度，當反應氣采用動態工藝時，也由此裝置與輸入反應氣及窗口保護氣保持所需箱壓的平衡。
(6)測壓系統控制并顯示反應室壓力。
(7)輔加氣保護激光窗口透鏡不被反應生成物污染。
(8)通過工作臺的運動或光束的運動實現激光束在試件(或工件)上的掃描，以獲得所需金剛石沉積區的部位、軌跡及面積。
下面給出本發明的實施例附圖1單純XeCl激光化學氣相沉積設備示意圖附圖2 XeCl與紅外復合激光化學氣相沉積設備示意圖實施例1①XeCl激光參數激光能量450mj/pulse脈寬36ns輻照面積6mm2脈沖頻率30Hz②反應氣種類③反應氣配比C16H22O4∶H2＝3∶100④襯底Si，⑤沉積時間5h在上述工藝條件下在Si上得到金剛石實施例2(1)XeCl激光參數單脈沖能量250mj/pulse脈寬36ns
輻照面積8mm2脈沖頻率20Hz(2)紅外激光種類CO2激光紅外激光參數波長10.6μm功率100W輻照面積150mm2(3)反應氣種類(4)反應氣配比C2HH4∶H2＝2∶100(5)襯底Si(6)θ角(參看圖2)30°(7)沉積時間3h在上述工藝條件下，在表面溫度為340℃的Si片上得到高純金剛石膜。
實施例3(1)XeCl激光參數單脈沖能量400mj/pulse脈寬20ns輻照面積20mm2脈沖頻率15Hz(2)紅外激光種類CO2激光波長10.6μm功率50W輻照面積175mm2脈沖頻率20Hz(3)反應氣種類(4)反應氣配比C2H4∶H2＝1.5∶100
(5)襯底SiC(6)θ 45°(7)沉積時間2h實施例4①XeCl激光參數單脈沖能量50mj/pulse脈寬36ns輻照面積0.5mm2脈沖頻率10Hz②紅外激光種類YAG波長1.06μm單脈沖能量5j/pulse脈寬1ms脈沖頻率20Hz輻照面積150mm2(3)反應氣種類CH4＋H2預配比CH4∶H2＝3∶100(4)θ角50℃在上述工藝條件下沉積成為高純金剛石膜，通過工作臺運動，在襯底表面可得到金剛石膜圖形分布。
權利要求
1.一種激光化學氣相沉積金剛石膜的方法，最低沉積溫度為250℃，其特征在于選用波長在308nm的XeCI準分子激光作激光源，過程如下將欲沉積襯底放在高導熱率材料的工作臺上，用XeCl準分子激光輻照襯底欲沉積金剛石膜區，并在預抽真空的反應室中通入能吸收該激光波長的碳氫化合物反應氣(含汽化液體或固體)和氫氣，碳氫化合物反應氣與氫氣的流量比為(1-3)∶100，在適當工藝條件下，在襯底表面沉積出金剛石膜，工藝條件是XeCl激光單脈沖能量 20-500mj/pulseXeCl激光脈寬 15-40ns脈沖頻率 5-40Hz
2.按權利要求1所述激光化學氣相沉積金剛石膜的方法，其特征在于在采用XeCl激光輻照的同時，復合輻照紅外激光，波長范圍在1.06μm-10.6μm
3.按權利要求2所述激光化學氣相沉積金剛石膜的方法，其特征在于當紅外激光為CO2激光時，激光功率密度在30-100Wcm-2。
全文摘要
一種激光化學氣相沉積金剛石膜的方法，最低沉積溫度為250℃，其特征在于選用波長在308nm的XeCl準分子激光作激光源，過程如下將欲沉積襯底放在高導熱率材料的工作臺上，用XeCl準分子激光輻照襯底欲沉積金剛石膜區，并在預抽真空的反應室中通入能吸收該激光波長的碳氫化合物反應氣(含汽化液體或固體)和氫氣，碳氫化合物反應氣與氫氣的流量比為(1-3)∶100，在適當工藝條件下，在襯底表面沉積出金剛石膜，工藝條件是單脈沖能量20-500mj/pulse脈寬15-40ns脈沖頻率5-40Hz。本發明所制膜層純度高，沉積溫度低，易于實現，安全可靠。
文檔編號C23C16/48GK1122378SQ95111978
公開日1996年5月15日 申請日期1995年9月11日 優先權日1995年9月11日
發明者馮鐘潮, 趙巖, 張炳春 申請人:中國科學院金屬研究所