專利名稱：金剛石襯底及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括金剛石單晶的襯底及其制造方法，更特別地涉及一種適合半導(dǎo)體石印加工、大型光學(xué)部件、半導(dǎo)體材料和放熱襯底等的大型金剛石襯底及其制造方法。此外，本發(fā)明還涉及一種可用于半導(dǎo)體晶片加工等并且可用于反饋器件制備的大型導(dǎo)電金剛石襯底及其制造方法。
背景技術(shù)：
金剛石提供了諸如高導(dǎo)熱系數(shù)、高電子/空穴遷移率、高介電擊穿場、低介電損失和寬帶隙的大量優(yōu)異的特性，簡直像半導(dǎo)體材料一樣。具體而言，近年來已開發(fā)了具有高頻特性的電場晶體管，并希望用作功率器件半導(dǎo)體。金剛石具有負(fù)電子親和力，對作為電子發(fā)射器元件的實(shí)際應(yīng)用的研究正在進(jìn)行中。對于光學(xué)特性，金剛石也在紫外光區(qū)(225-400nm)具有高透射率和高折射率。由于這些原因，可以期望金剛石將用作能適應(yīng)日益縮短的波長與日益提高的光碟密度等的結(jié)合的拾波透鏡材料。
必須有等同于其他半導(dǎo)體材料的大型單晶襯底，以便用金剛石作為半導(dǎo)體或光學(xué)材料。這是因?yàn)橹圃炱骷蟮陌雽?dǎo)體晶片加工及其設(shè)備是為數(shù)英寸直徑的晶片設(shè)計(jì)的。目前，工業(yè)上發(fā)展了高溫高壓合成和化學(xué)氣相沉積(CVD)作為獲得大型金剛石單晶的方法，并且可獲得(100)表面的直徑約10mm的大型襯底。然而，從目前的觀點(diǎn)看，這樣也沒有達(dá)到實(shí)現(xiàn)不小于1英寸的大直徑的目的。具體而言，具有(111)表面取向的金剛石襯底，這種襯底可摻雜磷且可以容易獲得n型導(dǎo)電性，在通過高溫高壓合成制造的大批生產(chǎn)商品中為幾毫米角的尺寸，難以在化學(xué)氣相沉積中制成大型襯底并保持滿意的結(jié)晶度質(zhì)量。相反，允許在相對大型的不均勻襯底上生長金剛石單晶的異相外延生長目前不具有足夠的結(jié)晶度，其在半導(dǎo)體和光學(xué)用途中的實(shí)際應(yīng)用有限。
為了解決這些問題，例如日本專利公布No.H8-208387公開了一種金剛石元件的實(shí)例，其通過用多晶金剛石圍繞具有1mm2或更大表面的單晶金剛石而結(jié)合了具有滿意結(jié)晶度的單晶金剛石和用于獲得大表面積的多晶金剛石二者的優(yōu)點(diǎn)。
日本專利公布No.H8-208387的金剛石部分主要用于傳感器和光學(xué)窗等，且它必須在單晶襯底上生長高質(zhì)量單晶。由于(100)單晶被用作籽晶，以便生長高質(zhì)量單晶，就難以通過磷摻雜在該襯底上形成n型層。況且，在平板硅襯底上布置單晶襯底的實(shí)例中，實(shí)現(xiàn)足夠結(jié)合力的成膜時間需要220小時，這對于生產(chǎn)率是一個缺陷。此外，在加工硅襯底形成凹面并將單晶金剛石襯底嵌入加工的凹穴中的實(shí)例中，硅襯底主表面的高度和單晶金剛石襯底主表面的高度相同。因?yàn)閮蓚€表面的高度相同，就不能通過拋光等完全除去單晶金剛石襯底上的化學(xué)氣相沉積單晶金剛石層，也就不能暴露和利用具有滿意結(jié)晶度的單晶金剛石襯底部分。
此外，日本專利公布No.H8-208387中指出的單晶金剛石襯底是室溫下絕緣的IIa型和Ib型金剛石，是未摻雜的單晶金剛石，其本身不能用作半導(dǎo)體器件。由于示例金剛石部分基體結(jié)構(gòu)的硅襯底在室溫下也是絕緣的，所以不能用于傳感器等中，除非除去硅襯底，并重新形成電極和導(dǎo)電金剛石膜。雖然例如日本專利公布No.H8-208387中解釋的絕緣金剛石可通過激光切割加工，但加工速度造成了困難。此外，為了在硅襯底上布置單晶金剛石襯底，并在其上覆蓋多晶金剛石，必須形成足夠厚的多晶金剛石，其生產(chǎn)率就有困難。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的是解決上述問題，并提供一種適合半導(dǎo)體石印加工、光學(xué)部件、半導(dǎo)體材料和放熱襯底等的大型金剛石襯底及其制造方法。本發(fā)明的另一個目的是提供一種可用于半導(dǎo)體晶片加工等和制造反饋器件的大型導(dǎo)電金剛石襯底及其制造方法。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了以下第一個方面具體而言，本發(fā)明提供了一種制造金剛石襯底的方法，該方法包括
制備具有包含凹面的第一區(qū)和圍繞該第一區(qū)的第二區(qū)的主表面的襯底，并在第一區(qū)上安裝板厚度大于第一區(qū)的凹面深度的單晶金剛石種襯底的安裝步驟；通過化學(xué)氣相沉積在該單晶金剛石種襯底上形成CVD金剛石層，并通過在第二區(qū)上同時形成CVD金剛石層相互連接的連接步驟；和通過機(jī)械拋光，將該單晶金剛石種襯底上的CVD金剛石層和第二區(qū)上的CVD金剛石層都拋光至基本上平坦的拋光步驟。
硅襯底或?qū)щ娨r底適合作為上述具有主表面的襯底。當(dāng)采用導(dǎo)電襯底時，通過形成具有導(dǎo)電性的單晶金剛石種襯底和CVD金剛石層，金剛石襯底就變得適合用于半導(dǎo)體器件。
另外，本發(fā)明具有以下第二個方面具體而言，本發(fā)明提供了一種金剛石襯底，它包含具有包含凹面的第一區(qū)和圍繞該第一區(qū)的第二區(qū)的主表面的襯底，在第一區(qū)上提供的板形的單晶金剛石部分，和在第二區(qū)上提供的層形多晶金剛石部分，其中單晶金剛石部分通過與多晶金剛石部分連接而固定在襯底上，且單晶金剛石部分和多晶金剛石部分基本上是平坦和一體的。
硅襯底或?qū)щ娨r底適合作為上述具有主表面的襯底。當(dāng)采用導(dǎo)電襯底時，通過形成具有導(dǎo)電性的單晶金剛石部分和多晶金剛石部分，該金剛石襯底就變得適合用于半導(dǎo)體器件。
下面將給出用作具有主表面的襯底的硅襯底的解釋。
作為本發(fā)明襯底的典型制造方法，將單晶金剛石種襯底插入第一區(qū)中，具體說是插入硅襯底主表面的凹面中，并通過CVD金剛石層連接硅襯底和單晶金剛石種襯底。通過單晶金剛石種襯底插入硅襯底凹面中，在該主表面上形成氣相CVD金剛石層。然后，分別在單晶金剛石種襯底和作為凹面周圍硅襯底主表面的第二區(qū)上生長CVD金剛石層。該層在其生長時會在橫向有些許分散，并嵌入硅襯底與單晶金剛石種襯底之間的間隙中。從而使兩種襯底通過金剛石緊緊連接，并且可以將其表面進(jìn)行機(jī)械拋光。然后，將CVD金剛石層拋光至暴露出單晶金剛石種襯底。該機(jī)械拋光表面包含單晶金剛石種襯底部分和周圍的CVD金剛石部分，并且單晶種襯底部分可作為用于半導(dǎo)體和光學(xué)應(yīng)用中的高質(zhì)量單晶。根據(jù)此制造方法，金剛石單晶種襯底提供了本發(fā)明金剛石襯底的單晶金剛石部分，并且CVD金剛石層作為多晶金剛石部分。
在本發(fā)明的金剛石襯底及其制造方法中，通過使單晶金剛石種襯底的板厚度大于凹面深度，即使通過機(jī)械拋光將金剛石拋光至種襯底頂面，該種襯底都將得到支撐而不會脫落。優(yōu)點(diǎn)是在通過化學(xué)氣相沉積在種襯底上生長的金剛石層是單晶還是多晶的任何一種情況下，種襯底取向和CVD金剛石的生長條件可自由選擇。當(dāng)形成CVD金剛石時，即使在單晶種襯底或CVD金剛石層上由于諸如合成應(yīng)力的翹曲而出現(xiàn)裂紋，該裂紋和應(yīng)力區(qū)也可通過拋光步驟除去，可采用沒有翹曲的高質(zhì)量單晶種襯底區(qū)。同樣，拋光后金剛石襯底表面基本上是平坦和一致的。正如下面將描述的，在本發(fā)明中，基本上平坦和一致包括在單晶金剛石種襯底周圍產(chǎn)生微型凹槽，以及在種襯底主表面與硅襯底上金剛石層主表面間產(chǎn)生輕微級差。
在用于本發(fā)明的硅襯底上形成的凹面的形狀在從主表面上面看時是圓形、橢圓形，或至少一個轉(zhuǎn)角的兩條邊的延長線之間的頂角為60°或更大的角的多邊形，其中，優(yōu)選的是上述多邊形的所有轉(zhuǎn)角半徑為50μm或更大。另外，如圖1所示，本發(fā)明的多邊形包括有些許修圓的轉(zhuǎn)角的形狀。同時，當(dāng)從主表面上面觀察時，安裝在硅襯底上形成的凹面中的單晶金剛石種襯底為圓形、橢圓形，或至少一個轉(zhuǎn)角的兩條邊的延長線之間的頂角為60°或更大的角的多邊形，優(yōu)選的是上述多邊形的所有轉(zhuǎn)角半徑為50μm或更大。以和凹面形狀類似的方式，本發(fā)明中的單晶金剛石種襯底包括圖1所示轉(zhuǎn)角略微修圓的多邊形形狀。
因此，在上述凹面中插入單晶金剛石種襯底時的間隙是均勻的，且在化學(xué)氣相沉積期間，CVD金剛石完全覆蓋該間隙，使其與單晶金剛石種襯底的連接更牢固。同樣，拋光期間轉(zhuǎn)角部分的脫落也被防止。
機(jī)械加工如端銑或鉆孔、濕式蝕刻或干式蝕刻可優(yōu)選作為在硅襯底中形成凹面的方法。機(jī)械加工或濕式蝕刻可很經(jīng)濟(jì)和快速地進(jìn)行，干式蝕刻可制備高精度凹面形狀。
所用單晶金剛石種襯底的尺寸為1mm2或更大，并具有100μm或更大的厚度。小于上述尺寸的單晶金剛石種襯底難以處理。插入單晶金剛石種襯底和加工硅襯底主表面的凹面形狀也很困難。
考慮硅襯底上形成的凹面的尺寸相對于單晶金剛石種襯底的尺寸，間隙(最大圓周間隙)的量優(yōu)選200μm或更小。更優(yōu)選的是，該間隙為20μm或更大且100μm或更小。從而使單晶金剛石種襯底和硅襯底通過形成最薄的CVD金剛石層來連接。
當(dāng)在第一區(qū)中布置單晶金剛石種襯底時，級差(這是放置后種襯底頂面與作為除凹面外的硅襯底表面的第二區(qū)表面之間的級差)的量優(yōu)選為20μm或更大且300μm或更小，更優(yōu)選30μm或更大且100μm或更小。通過使上述級差處于合適高度，使單晶金剛石種襯底與硅襯底主表面部分上生長的CVD金剛石之間的連接強(qiáng)度提高，使單晶金剛石種襯底在拋光步驟期間可以容易暴露。
另外，優(yōu)選的是上述級差的量與間隙的量之間的關(guān)系，即級差量與間隙量之比為0.3或更大且120或更小。這一點(diǎn)在下面描述的實(shí)施例中具體解釋，但通過采用硅襯底和單晶金剛石種襯底，使級差量與間隙量之比在該范圍內(nèi)，在后續(xù)拋光步驟中就幾乎不會有任何種襯底從襯底上脫落。從而極大地提高制造過程的生產(chǎn)率。
用于本發(fā)明的單晶金剛石種襯底可具有取向(111)的主表面。具有(111)取向的單晶金剛石既可摻雜磷，也可摻雜硼，因此用本發(fā)明的金剛石襯底可以容易制備大型n型和p型單晶器件。因?yàn)?111)平面是最難拋光的表面，常規(guī)拋光后的(111)單晶往往不是嚴(yán)格地具有(111)平面的取向，并具有從(111)平面偏移幾度的取向。因?yàn)閷Ρ景l(fā)明的單晶金剛石種襯底的拋光在通過CVD金剛石固定種襯底周邊后進(jìn)行，就有可能形成比常規(guī)(111)單晶體具有的偏移更小的(111)平面。如果拋光后獲得的單晶金剛石種襯底表面與(111)平面的偏移在5度以內(nèi)，就能有效形成后續(xù)的磷摻雜金剛石。根據(jù)本發(fā)明的方法，完全有可能使這種偏移足夠小，以滿足該范圍。然而，本發(fā)明中所用的單晶金剛石種襯底并不限于(111)，也可采用(100)的單晶或(110)或更大的任何高指數(shù)表面。
自然生成的單晶或通過高溫高壓合成或化學(xué)氣相沉積獲得的單晶可用作本發(fā)明中的單晶金剛石種襯底，但優(yōu)選采用Ib型單晶，或更優(yōu)選通過高溫高壓合成獲得的IIa型單晶。采用這些具有良好結(jié)晶度的單晶作為種襯底，在制備半導(dǎo)體用金剛石襯底然后形成摻雜層時是有益的。
作為用于本發(fā)明的硅襯底，既可利用任選取向的單晶，也可利用多晶體，但優(yōu)選采用具有(111)取向的主表面的單晶。如果將(111)單晶作用于單晶金剛石種襯底，則硅襯底和取向布置，以及從硅襯底主表面區(qū)域生長的化學(xué)氣相沉積金剛石與單晶金剛石種襯底之間的連接特性就得到改善。
理想的是用于本發(fā)明的硅襯底具有直徑2英寸或更大、厚度0.3mm或更大且5mm或更小的晶片形狀。從而能提供具有大表面積并用于晶片加工的金剛石襯底。
在硅襯底和單晶金剛石種襯底上形成的CVD金剛石層是多晶金剛石，更優(yōu)選的是(111)取向的金剛石。當(dāng)將(111)單晶用作單晶金剛石種襯底時，將在種襯底上發(fā)生CVD金剛石的多晶化。如果此時在硅襯底上形成的金剛石為多晶，其與金剛石種襯底的連接將很牢固。如果種襯底上的CVD金剛石是(111)單晶或(111)取向的金剛石，且如果硅襯底周邊的金剛石也是相同的(111)取向的金剛石，則它們都將形成牢固的連接。此外，可防止由于晶體平面的差異引起的、在隨后的拋光步驟中拋光速度的不均勻(分布)，并且可以容易在整個表面上獲得均勻的金剛石襯底。
這里描述的(111)取向的表面指該表面上的垂直方向平行于(111)的表面，不考慮該平面中旋轉(zhuǎn)方向的一致性。用X射線衍射作為評價(jià)取向的典型方法。采用Kα輻射來自銅球的θ/2θ方法，并評價(jià)跨過2θ＝40至120°的金剛石襯底頂面，當(dāng)在2θ＝43.9°附近出現(xiàn)的(111)衍射峰百分比大于參考金剛石粉的(111)衍射峰百分比時，可認(rèn)為該表面為(111)取向。這種測定也可用除θ/2θ外的其他方法。
在硅襯底主表面部分上合成的CVD金剛石層的膜厚度分布優(yōu)選30％或更小，更優(yōu)選10％或更小。從而可期望縮短隨后的拋光步驟中的拋光時間。
通過借助于諸如研磨的機(jī)械方法除去金剛石襯底背面的Si襯底部分和嵌入硅襯底凹面中的單晶金剛石種襯底，可以將該襯底用作獨(dú)立類型的金剛石襯底。從而使該金剛石襯底變得更薄，并且可以容易適應(yīng)常規(guī)的晶片處理。
拋光步驟后，優(yōu)選的是金剛石襯底頂面(金剛石表面)和背面(硅表面)的翹曲在±10μm內(nèi)。在這里，翹曲是用金剛石襯底固定和布置在平板上時表面中最大和最小點(diǎn)之間的差來表達(dá)的，+方向定義為凸起方向(向上凸起)。將金剛石襯底翹曲限定在上述范圍內(nèi)，使得在隨后的半導(dǎo)體晶片處理等中利用容易。
拋光步驟后，第二區(qū)上的CVD金剛石層厚度優(yōu)選為10μm或更大。CVD金剛石層的厚度分布優(yōu)選10μm或更小。如果金剛石層的厚度小于10μm，與單晶金剛石種襯底的連接就變?nèi)酰?dāng)隨后形成摻雜的金剛石層(改變溫度)時，單晶金剛石種襯底在半導(dǎo)體晶片加工中脫落的可能性就高。如果CVD金剛石層的厚度分布大于10μm，在隨后的半導(dǎo)體晶片加工中的表面均勻性就變差。
本發(fā)明的金剛石襯底及其制造方法的另一個特征是，單晶金剛石種襯底表面周圍的凹槽可部分或全部在拋光步驟中制備。通常情況下，難以在拋光后區(qū)分金剛石襯底頂面的區(qū)域，因?yàn)閱尉ХN襯底和周圍的CVD金剛石已成為一體。例如，當(dāng)在后期進(jìn)行光刻處理時，難以區(qū)分這些區(qū)域，給識別出加工用于器件的區(qū)域帶來麻煩。為了解決該問題，如果采用特定的拋光條件，就有可能如上所述地在單晶金剛石種襯底頂面周圍產(chǎn)生完全或部分的凹槽。具體而言，通過改變拋光期間的載荷，并如下面描述的實(shí)施例中指出的那樣適當(dāng)選擇，來自然形成期望尺寸的凹槽。然而，即使制備了凹槽，理想的是其深度不大于3μm，且其寬度不大于20μm。將該凹槽的尺寸限定在上述范圍內(nèi)可以在該襯底涂布光刻膠時防止膜厚度分布。無論這些凹槽是1個或2個或多個，產(chǎn)生的效果沒有差別。如果形成了多個凹槽，優(yōu)選的是每個凹槽的深度和寬度都在上述范圍內(nèi)。
拋光步驟后表面暴露的單晶金剛石種襯底與周圍的CVD金剛石層之間的級差優(yōu)選不大于1.2μm。單晶金剛石種襯底高于或低于周圍區(qū)域時，該級差的范圍相同。從而可防止涂布光刻膠時的膜厚度分布，光刻處理期間的暴露加工就能滿意地進(jìn)行。
單晶金剛石種襯底通過拋光后是否暴露可通過測量喇曼光譜金剛石峰的位移量和半寬度值確定。如果用Ar激光(波長514.5nm)作為喇曼激發(fā)光，單晶金剛石種襯底頂面拋光后的喇曼位移優(yōu)選為1332±1cm-1，半寬度優(yōu)選不大于2.5cm-1。單晶金剛石種襯底是否已暴露可以容易通過比較拋光步驟前后的喇曼位移和半寬度確定。然而，應(yīng)用上述半寬度時該裝置的波數(shù)分辨率應(yīng)為1.9cm-1。
拋光步驟后單晶金剛石種襯底頂面的表面粗糙度Ra優(yōu)選為10nm或更低。該Ra可以容易通過原子力顯微鏡(AFM)測量。通過將表面粗糙度限定在上述范圍內(nèi)，隨后的半導(dǎo)體金剛石合成和半導(dǎo)體晶片加工就能滿意地進(jìn)行。
下面解釋在本發(fā)明中導(dǎo)電襯底作為具有主表面的襯底的應(yīng)用。在這種情況下，優(yōu)選的是單晶金剛石種襯底和CVD金剛石層都是導(dǎo)電的。
本發(fā)明通過將可用作半導(dǎo)體的導(dǎo)電單晶金剛石置于導(dǎo)電襯底上，并借助導(dǎo)電多晶金剛石固定該導(dǎo)電單晶金剛石，來提供了大型導(dǎo)電金剛石襯底。可采用該半導(dǎo)體襯底是因?yàn)樵撘r底可由所有導(dǎo)電材料組成，且可以容易形成器件，并通過電火花加工切割。通過采用大型導(dǎo)電襯底，有可能在半導(dǎo)體晶片加工中引入導(dǎo)電單晶金剛石，即半導(dǎo)體金剛石。此外，由于可從襯底背面接入電能，該背面位于金剛石上安裝的襯底側(cè)的反面，其優(yōu)點(diǎn)是可簡化金剛石側(cè)的端子結(jié)構(gòu)，拓寬器件應(yīng)用的靈活性。
作為典型的方法，化學(xué)氣相沉積被用于連接導(dǎo)電單晶金剛石和導(dǎo)電多晶金剛石，并獲得本發(fā)明的金剛石襯底。用化學(xué)氣相沉積，金剛石不僅向上生長，也水平生長，因此兩個表面都可以容易連接。在這里，通過高溫高壓合成獲得的兩種人造導(dǎo)電金剛石，以及天然導(dǎo)電金剛石都可用作導(dǎo)電單晶金剛石襯底部分。該導(dǎo)電單晶金剛石襯底的取向優(yōu)選為(100)平面、(110)平面或(111)平面的任何一個，或在偏移這些平面10或更小的范圍內(nèi)。通過采用這些襯底，導(dǎo)電部分的外延生長在隨后的化學(xué)氣相沉積期間變得更容易。
當(dāng)通過化學(xué)氣相沉積形成時，安裝在導(dǎo)電襯底凹面中的導(dǎo)電單晶金剛石襯底上形成的導(dǎo)電金剛石可以是導(dǎo)電多晶金剛石，或?qū)щ妴尉Ы饎偸赐庋由L的金剛石。如果該區(qū)域是外延生長的導(dǎo)電單晶金剛石，該金剛石可原樣用作器件。但即使它是導(dǎo)電多晶金剛石，該襯底也可通過蝕刻、拋光或電火花加工除去該層，并且暴露出導(dǎo)電單晶金剛石襯底部分，從而用作半導(dǎo)體器件。通過采用蝕刻或拋光使該表面的金剛石部分平整，就帶來了容易適應(yīng)半導(dǎo)體晶片加工的優(yōu)點(diǎn)。
在本發(fā)明的金剛石襯底中，將導(dǎo)電單晶金剛石安裝在導(dǎo)電襯底上形成凹面的第一區(qū)上，這必須通過與第二周邊區(qū)域中提供的導(dǎo)電多晶金剛石連接來固定。通過在凹面中插入導(dǎo)電單晶金剛石，就能防止連接期間的移動，導(dǎo)電單晶金剛石就能緊緊固定在導(dǎo)電襯底上。導(dǎo)電襯底上有凹面的該第一區(qū)可有一個或多個位置。一個凹面中可安裝一排或多排導(dǎo)電單晶金剛石。通過形成多個單元，一個金剛石襯底上就存在多個導(dǎo)電單晶金剛石區(qū)，從而提高器件的制造效率。
導(dǎo)電單晶金剛石的板厚度優(yōu)選大于導(dǎo)電襯底中形成的凹面的深度。從而即使導(dǎo)電多晶金剛石部分的厚度較薄，也可在導(dǎo)電單晶金剛石和導(dǎo)電多晶金剛石之間產(chǎn)生牢固的連接。此外，當(dāng)通過化學(xué)氣相沉積形成導(dǎo)電金剛石層時，即使通過蝕刻或拋光除去了導(dǎo)電單晶金剛石襯底上形成的金剛石，該導(dǎo)電單晶金剛石襯底部分也可用于器件等中，因?yàn)閷?dǎo)電單晶金剛石襯底仍與周圍的導(dǎo)電多晶金剛石連接。
導(dǎo)電單晶金剛石部分、導(dǎo)電多晶金剛石部分和導(dǎo)電襯底的電阻率優(yōu)選為1×10-1Ω·cm或更小。通過采用低電阻金剛石和襯底，可制備高效率和節(jié)能的器件。此外，低電阻襯底容易處理，并通過電火花加工形成。
本發(fā)明的導(dǎo)電單晶金剛石和導(dǎo)電多晶金剛石優(yōu)選含有一種或多種選自氫、鋰、硼、氮、鋁、硅、磷和硫中的元素，作為雜質(zhì)。通過在金剛石中含有這些元素，金剛石就變成了半導(dǎo)體，并在室溫下表現(xiàn)出導(dǎo)電性。更具體說，因?yàn)榕鹑菀讛v入金剛石中，并可以容易使金剛石具有低電阻，因此硼是獲得本發(fā)明的金剛石襯底更合適的元素。進(jìn)行高溫高壓合成和化學(xué)氣相沉積時添加雜質(zhì)元素的公知技術(shù)，以及離子注入法，都可作為將這些雜質(zhì)結(jié)合入金剛石中的方法。
用于本發(fā)明的導(dǎo)電襯底可利用諸如金屬或陶瓷的任何任選的材料，只要該材料導(dǎo)電即可，但優(yōu)選的是含有至少一種選自硅、碳化硅、氮化硅、氮化鋁和氮化硼中的材料。通過采用這些材料，就可保持其與金剛石的牢固粘合和滿意的導(dǎo)電性，且可以使晶片加工容易。可用諸如單晶、多晶或燒結(jié)體的任何形式的這些材料作為襯底。當(dāng)導(dǎo)電襯底的尺寸為2英寸或更大的直徑和1mm或更小的厚度時，在隨后的晶片加工等中就可以容易制備器件。
本發(fā)明的制造金剛石襯底的方法可采用化學(xué)氣相沉積來進(jìn)行形成導(dǎo)電金剛石部分的步驟，然后用電火花加工切割金剛石襯底。也可利用電火花加工形成金剛石表面中的不均勻度，并有助于制造器件芯片，因?yàn)榭筛咚偾懈顚?dǎo)電單晶金剛石部分。
下面概述由本發(fā)明的金剛石襯底及其制造方法帶來的技術(shù)效果。
本發(fā)明的金剛石襯底及其制造方法可制造在晶片加工等中容易處理的大表面積金剛石襯底。如果采用本發(fā)明的金剛石襯底及其制造方法，大型襯底和具有導(dǎo)電性的高質(zhì)量金剛石單晶部分就可用于半導(dǎo)體晶片加工等，也可用于制造反饋器件等。


圖1是已完成安裝過程的實(shí)施例1的示意圖。(a)是安裝單晶金剛石種襯底后的頂視圖。(b)是單晶金剛石種襯底轉(zhuǎn)角部分的展開示意圖。(c)是安裝的單晶金剛石種襯底的剖面圖。
圖2是完成連接步驟后實(shí)施例1的剖面圖。
圖3是完成拋光步驟后實(shí)施例1的剖面圖。
圖4是完成拋光步驟后實(shí)施例1的展開示意圖，它是圖3中表面連接區(qū)的放大圖。(a)是頂視展開示意圖。(b)是剖面展開示意圖。
圖5是平板硅襯底上安裝單晶金剛石種襯底的比較例1的示意圖。
圖6是硅襯底的凹面深度等于單晶金剛石種襯底板厚度的比較例2的示意圖。
圖7是安裝過程后實(shí)施例2的示意圖。
圖8是完成連接過程后實(shí)施例2的剖面示意圖。
圖9是表示單晶金剛石種襯底相對于級差量的脫落率的實(shí)施例5的結(jié)果的圖表。
圖10是表示單晶金剛石種襯底相對于間隙量的脫落率的實(shí)施例6的結(jié)果的圖表。
圖11是表示單晶金剛石種襯底的級差量、間隙量和脫落率的實(shí)施例7的結(jié)果的圖表。
圖12是本發(fā)明的導(dǎo)電襯底的實(shí)例。(a)是該導(dǎo)電襯底的頂視示意圖。(b)是該導(dǎo)電襯底的側(cè)視示意圖。
圖13是導(dǎo)電襯底上安裝的導(dǎo)電單晶金剛石的實(shí)例。(a)是安裝的導(dǎo)電單晶金剛石的頂視示意圖。(b)是安裝的導(dǎo)電單晶金剛石的側(cè)視示意圖。
圖14是在導(dǎo)電襯底和導(dǎo)電單晶金剛石上已形成導(dǎo)電多晶金剛石膜時的示意圖。
圖15是拋光的導(dǎo)電多晶金剛石的實(shí)例。(a)是該拋光的導(dǎo)電多晶金剛石的頂視示意圖。(b)是該拋光的導(dǎo)電多晶金剛石的側(cè)視示意圖。
圖16是由電火花加工切割的金剛石襯底的實(shí)例。
圖17是在未提供凹面的導(dǎo)電襯底上安裝了導(dǎo)電單晶金剛石的比較例。(a)是在未提供凹面的導(dǎo)電襯底上安裝了導(dǎo)電單晶金剛石的頂視示意圖。(b)是在未提供凹面的導(dǎo)電襯底上安裝了導(dǎo)電單晶金剛石的側(cè)視示意圖。
圖18是在未提供凹面的導(dǎo)電襯底上形成了導(dǎo)電多晶金剛石膜的比較例的側(cè)視示意圖。
圖19是實(shí)施例10的側(cè)視示意圖。
圖20是部分導(dǎo)電金剛石層已拋光的實(shí)施例10的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
發(fā)明詳述下面將基于實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。
實(shí)施例1本實(shí)施例的制造包括以下4個步驟。
第一個是分別制造硅襯底和單晶金剛石種襯底，在硅襯底主表面上形成凹面，并將單晶金剛石襯底安裝在硅襯底主表面的凹面中的步驟(以下稱為“安裝步驟”)。第二個是用化學(xué)氣相沉積法在單晶硅襯底主表面和單晶金剛石種襯底主表面上形成CVD金剛石層，從而相互連接的步驟(以下稱為“連接步驟”)。第三個是機(jī)械拋光單晶金剛石種襯底和硅襯底主表面上生長的CVD金剛石層的步驟(以下稱為“拋光步驟”)。然后第四個是評價(jià)該成品的步驟(以下稱為“評價(jià)步驟”)。
<安裝步驟>
安裝過程示意性地顯示于圖1。制備的單晶金剛石種襯底1是通過高溫高壓合成獲得的Ib型單晶金剛石；其主表面的取向是(100)；其尺寸是長度為2mm、寬度為2mm、厚度為300μm的方形；從主表面上面看的4個轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角半徑5為50μm(圖1(b))。硅襯底2是多晶體，其尺寸為2英寸直徑和1mm厚度。第一區(qū)3，為凹面，在硅襯底主表面上通過立銑刀加工形成，其尺寸為2.1mm長度和2.1mm寬度。通過安裝單晶金剛石種襯底，單晶金剛石種襯底與硅襯底凹面之間有50μm的間隙4(圖1(a)、(b))。單晶金剛石種襯底安裝后，單晶金剛石種襯底與硅襯底的主表面之間有50μm的級差6(圖1(c))。
<連接步驟>
在這里，都通過用化學(xué)氣相沉積法在單晶金剛石種襯底和硅襯底的主表面上形成金剛石層來連接。用公知的微波等離子體CVD形成CVD金剛石。金剛石合成條件是甲烷流量比(甲烷流量/氫流量)為3％；硅襯底的溫度為1000℃；壓力為1.2×104Pa；且合成時間為30小時。
形成CVD金剛石層后襯底的橫截面示意性地顯示于圖2。硅襯底上形成的CVD金剛石層8和單晶金剛石種襯底上形成的CVD金剛石層9都是多晶體。從硅襯底主表面生長的CVD金剛石層的厚度為60±8μm，并且從單晶金剛石種襯底主表面生長的CVD金剛石層的厚度為80μm。
<拋光步驟>
用自旋轉(zhuǎn)干式拋光裝置對單晶金剛石種襯底和硅襯底主表面上生長的CVD金剛石層進(jìn)行機(jī)械拋光。拋光載荷為5kg。拋光40小時后，暴露出單晶金剛石種襯底，并將整個表面拋光至鏡面拋光。拋光后金剛石襯底的厚度為1.039至1.049mm(CVD金剛石層的厚度為39至49μm)。這種情況下襯底翹曲量為頂面(金剛石表面)為(+)10μm凸面，背面(硅表面)為(-)10μm凹面。拋光后襯底的橫截面示意性地顯示于圖3。圖3表示單晶金剛石種襯底通過硅襯底上形成的CVD金剛石層8與硅襯底連接。
<評價(jià)步驟>
首先，用光學(xué)顯微鏡觀察連接單晶金剛石種襯底表面和其周圍的拋光CVD金剛石層的部分。圖4示意地表示圖3中的表面連接區(qū)10，結(jié)果觀察到單晶金剛石種襯底周圍的連接區(qū)中制備的雙凹槽11，且該凹槽部分包圍種襯底頂面(圖4(a))。襯底橫截面的狀態(tài)示于圖4(b)，作為通過原子力顯微鏡(AFM)評價(jià)該凹槽尺寸的結(jié)果，內(nèi)凹槽深度為354nm，寬度為11μm；外凹槽深度13為2.8μm，凹槽寬度12為19μm。單晶金剛石種襯底與CVD金剛石層之間的級差14為0.6μm。單晶金剛石種襯底的頂面粗糙度按Ra計(jì)為2nm。
單晶金剛石種襯底是否通過拋光暴露由喇曼光譜測量確定。喇曼光譜裝置采用Ar激光(波長514.5nm)作為激發(fā)光，并且確定CVD金剛石形成前發(fā)生的單晶金剛石種襯底的喇曼位移為1332cm-1，半寬度為2.2cm-1。其次，當(dāng)測量<連接步驟>中在單晶金剛石種襯底上生長的CVD金剛石層的喇曼位移時，位移波數(shù)為1333.1cm-1且半寬度為3.8cm-1，因此在連接中觀察到晶體完整性由于CVD金剛石層的多晶化而受到破壞。再者，以相同方式測量<連接步驟>后單晶金剛石種襯底頂面的喇曼位移，位移波數(shù)為1332cm-1且半寬度為2.2cm-1，因此確定通過拋光已除去CVD金剛石層并暴露出種襯底頂面。
在作為半導(dǎo)體晶片加工實(shí)例的光刻中測試這樣獲得的金剛石襯底。將包含重氮萘醌基光敏劑和酚醛清漆樹脂的混合物的正型光刻膠旋涂在襯底表面。結(jié)果，單晶金剛石種襯底上光刻膠的膜厚度分布為0.9％。對該金剛石襯底進(jìn)行暴露試驗(yàn)，表明可以容易實(shí)現(xiàn)暴露位置對準(zhǔn)，且暴露位置在加工期間沒有偏差。作為光刻膠涂層的比較例，將一個單位的用于本實(shí)施例的單晶金剛石種襯底置于原樣簸動的旋涂器具中，用實(shí)施例中相同的涂布條件旋涂光刻膠。結(jié)果，單晶金剛石種襯底上光刻膠的膜厚度分布為21％，表明了本實(shí)施例中獲得的金剛石襯底的優(yōu)越性。
比較例1這里將描述不在硅襯底上形成凹面的產(chǎn)品的實(shí)例作為比較例1。在此比較例中，采用與實(shí)施例1相同規(guī)格的單晶金剛石種襯底和硅襯底，但如圖5所示，在<安裝步驟>中，將單晶金剛石種襯底1原樣安裝在平坦表面上，而不在硅襯底2中形成凹面。<連接步驟>與實(shí)施例相同，但當(dāng)進(jìn)行<拋光步驟>時，單晶金剛石種襯底在拋光期間脫落。因此，這說明在硅襯底中形成凹面的優(yōu)越性。
比較例2如圖6所示，現(xiàn)在描述當(dāng)硅襯底凹面的深度與單晶金剛石種襯底的板厚度相等時的實(shí)例作為比較例2。這里，采用與實(shí)施例1相同規(guī)格的單晶金剛石種襯底和硅襯底，僅有一點(diǎn)差別是單晶金剛石種襯底的板厚度為250μm。<連接步驟>與實(shí)施例相同，但當(dāng)進(jìn)行<拋光步驟>時，單晶金剛石種襯底在該單晶金剛石種襯底上的CVD金剛石層厚度小于10μm時脫落，且該種襯底的頂面沒有暴露。因此，這說明單晶金剛石種襯底板厚度必須大于硅襯底中形成的凹面的深度，且硅襯底上金剛石層的厚度必須達(dá)到10μm或更大。
實(shí)施例2本實(shí)施例包括與實(shí)施例1相同的4個制造步驟。
<安裝步驟>
圖7是安裝過程示意圖。采用3片單晶金剛石種襯底。所有都是通過高溫高壓合成獲得的IIa型單晶金剛石；其主表面的取向是(111)；其尺寸是直徑2mm和厚100μm的碟。硅襯底2的主表面是直徑2英寸和厚0.3mm的(111)單晶襯底。如圖7(a)所示，通過使用掩模和高頻等離子體的干式蝕刻在硅襯底主表面上形成3個包含凹面的第一區(qū)3。其形狀是直徑2.05mm和深70μm的圓柱形，且其相對于單晶金剛石種襯底的側(cè)間隙為25μm。如圖7(b)所示，安裝單晶金剛石種襯底后，硅襯底主表面與單晶金剛石種襯底間的級差為30μm。
<連接步驟>
在這里，都通過用化學(xué)氣相沉積法在單晶金剛石種襯底和硅襯底的主表面部分形成金剛石層來連接。用公知的熱絲CVD形成CVD金剛石。金剛石合成條件是甲烷流量比(甲烷流量/氫流量)為0.5％；硅襯底的溫度為1050℃；壓力為1.3×104Pa；且合成時間為30小時。
圖8是形成CVD金剛石層后的示意圖。硅襯底上形成的CVD金剛石層8和單晶金剛石種襯底上形成的CVD金剛石層9都是(111)取向的金剛石。從硅襯底主表面生長的CVD金剛石層的厚度為50±2.5μm，從單晶金剛石種襯底主表面生長的CVD金剛石層的厚度為60μm。
至于CVD金剛石層的取向，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其表面形狀，于是確定其表面部分從三角形(111)面上形成。通過θ/2θ方法用帶有銅球的X射線衍射裝置測量衍射角。在約44°處，衍射角2θ是(111)衍射峰，衍射強(qiáng)度百分比為無規(guī)取向的金剛石粉的約1.4倍，因此證實(shí)了(111)取向的金剛石。
此外，通過光學(xué)顯微鏡聚焦在單晶金剛石種襯底上生長表面深度方向的幾點(diǎn)上的同時觀察晶體內(nèi)部狀態(tài)。如圖8所示，結(jié)果證實(shí)存在單晶金剛石種襯底和鄰近該單晶金剛石種襯底與其上生長的CVD金剛石層的表面邊界的CVD金剛石層上產(chǎn)生的裂紋區(qū)15(圖8)。
<拋光步驟>
按如實(shí)施例1的<拋光步驟>相同條件進(jìn)行拋光，但直至單晶金剛石種襯底暴露的拋光時間為35小時。拋光后金剛石襯底的板厚度為0.31mm。襯底翹曲量為頂面(金剛石表面)為-10μm，背面(硅表面)為+10μm。連接過程中觀察到的單晶金剛石種襯底與其上生長的CVD金剛石層之間的表面邊界附近存在的裂紋已完全消失，因?yàn)樗鼈円淹ㄟ^拋光除去。從而獲得其中單晶金剛石種襯底具有主表面(111)并被(111)取向的金剛石包圍的金剛石襯底。
<評價(jià)步驟>
這里，評價(jià)單晶金剛石種襯底與從硅襯底主表面上生長的(111)取向的金剛石的連接強(qiáng)度。評價(jià)方法是在具有面取向(111)的單晶金剛石種襯底上固定附著棒，從上面垂直拉伸該附著棒，并且測量單晶金剛石種襯底剝離時的粘合力(連接強(qiáng)度)。測量結(jié)果確定粘合力為5.6kgf。
為了比較，制備單晶金剛石種襯底周圍被多晶金剛石覆蓋的試樣。單晶金剛石種襯底和硅襯底的形狀條件等與上述相同，只有金剛石形成條件通過采用實(shí)施例1中<連接步驟>的連接條件改變。此時證實(shí)單晶金剛石種襯底周圍被多晶金剛石覆蓋，而不被(111)取向膜覆蓋。此外，測量通過實(shí)施上述相同<拋光步驟>獲得的金剛石襯底的粘合力。粘合力測量結(jié)果為3.8kgf，低于其周圍被(111)取向的金剛石覆蓋時的值。因此，說明(111)取向的金剛石與單晶金剛石種襯底之間的連接強(qiáng)度優(yōu)異。
為了確定暴露表面的單晶金剛石種襯底的準(zhǔn)確表面取向，將ω掃描與X射線全反射法結(jié)合測量襯底頂面取向。結(jié)果表明單晶金剛石種襯底頂面取向在偏離(111)平面0.5°的方向上。
接著，在完成所有步驟后，在金剛石襯底上形成加有磷化氫作為雜質(zhì)的CVD金剛石膜。所用氣體為氫、甲烷和磷化氫，流量比分別為1百萬比1000比5。膜形成期間金剛石襯底的溫度為900℃，當(dāng)形成膜60小時時，單晶金剛石種襯底上生長的單晶金剛石達(dá)到30μm的膜厚度。
當(dāng)接著用4端子法測量單晶金剛石種襯底主表面上生長的金剛石膜的室溫電阻率時，電阻率顯示為2.0×103Ω·cm。通過測量空穴確定該單晶金剛石層是n型半導(dǎo)體。次級離子質(zhì)譜法表明金剛石中存在3×1019/cm3的磷，從而證實(shí)單晶金剛石種襯底上生長的金剛石是磷摻雜的半導(dǎo)體。
為了對比，在與上述相同條件下，在具有(100)的主表面取向的高溫高壓合成的IIa型單晶金剛石襯底上生長磷摻雜的單晶金剛石。當(dāng)通過4端子法測量膜形成后表面的室溫電阻率時，電阻率為1.0×107Ω·cm，表明其絕緣性能。這些結(jié)果表明，本發(fā)明的金剛石襯底適合用作半導(dǎo)體器件。
實(shí)施例3在本實(shí)施例中，修改<連接步驟>期間的CVD金剛石形成條件，然后描述連接和拋光后金剛石襯底的翹曲數(shù)量改變時的實(shí)施例。
<安裝步驟>
按與實(shí)施例2的<安裝步驟>相同的方式制備7個試樣。
<連接步驟>
CVD金剛石形成條件與實(shí)施例2的<連接步驟>相同，只是硅襯底溫度不同。襯底溫度在800至1100℃范圍內(nèi)變化，各種試樣形成后頂面(金剛石表面)的翹曲設(shè)定為-20至+80μm，背面(硅表面)的翹曲設(shè)定為-20至+20μm。這里，硅襯底上金剛石層的厚度分布分別在5至90μm范圍內(nèi)。
<拋光步驟和評價(jià)步驟>
進(jìn)行實(shí)施例1相同的<拋光步驟>，測量拋光后兩個表面的翹曲。此外，進(jìn)行實(shí)施例1的<評價(jià)步驟>中描述的光刻膠涂布，用步進(jìn)器和直線對準(zhǔn)器測試圖案形成。結(jié)果示于下表1。
表1

表1的結(jié)果表明，當(dāng)翹曲在±10μm內(nèi)時，金剛石襯底既可用于步進(jìn)器，也可用于直線對準(zhǔn)器。
實(shí)施例4本實(shí)施例將解釋以下實(shí)例修改<拋光步驟>中的拋光條件，如圖4所示，從而改變頂面拋光后在單晶金剛石種襯底周圍的連接區(qū)域中產(chǎn)生的凹槽11的凹槽寬度12，并同時改變單晶金剛石種襯底與CVD金剛石層之間的級差14。
<安裝步驟>
按與實(shí)施例2的<安裝步驟>相同的方式制備5個試樣。
<連接步驟>
采用與實(shí)施例2相同的<連接步驟>。
<拋光步驟>
按與實(shí)施例1中的<拋光步驟>相同的方式進(jìn)行拋光，對每個試樣在1至9kg范圍內(nèi)改變拋光負(fù)載。當(dāng)單晶金剛石種襯底露出頂面時完成拋光。
<評價(jià)步驟>
測量拋光完成時種襯底周邊制備的凹槽的最大寬度、深度和級差；然后將試樣涂布光刻膠，并通過實(shí)施例1相同的方法測量光刻膠的膜厚度分布。結(jié)果示于表2。
表2

這表明，當(dāng)拋光完成時種襯底周邊制備的凹槽的最大寬度、深度和級差分別為3μm或更小、20μm或更小和1.2μm或更小時，光刻膠膜厚度分布限定在1％或更小。
實(shí)施例5
在本實(shí)施例中，將描述<安裝步驟>中的級差量改變的實(shí)例。
<安裝步驟>
所制備的碟形單晶金剛石種襯底是通過高溫高壓合成獲得的Ib型單晶金剛石。其尺寸為2mm直徑和在260μm至450μm之間以10μm增量變化的厚度。
硅襯底是具有主表面(111)、直徑2英寸和厚度0.3mm的單晶襯底。通過使用掩模和高頻等離子體的干式蝕刻在硅襯底主表面中心形成一個凹面。其形狀為直徑2.1mm和深度250μm的圓柱形，當(dāng)在該硅襯底凹面中安裝單晶金剛石種襯底時的間隙為50μm。
制備試樣，使單晶金剛石種襯底的級差在10μm至4000μm之間以10μm的增量變化。對于每個級差，采用100個試樣，總共4000個試樣。
<連接步驟>
單晶金剛石種襯底和硅襯底的主表面通過化學(xué)氣相沉積在這兩個表面上形成金剛石層來連接。公知的微波等離子體CVD用于形成CVD金剛石。金剛石合成條件調(diào)節(jié)到甲烷流量比例(甲烷流量/氫流量)為3％、硅襯底溫度為1000℃、壓力為1.2×104Pa，合成進(jìn)行至膜厚度與級差的量相同為止。
硅襯底上形成的CVD金剛石層和單晶金剛石種襯底上形成的CVD金剛石層都是多晶體。
<拋光步驟>
單晶金剛石種襯底和硅襯底主表面上生長的CVD金剛石層用自旋轉(zhuǎn)干式拋光裝置進(jìn)行機(jī)械拋光。拋光載荷為4kg。拋光至單晶金剛石種襯底暴露時為止。單晶金剛石種襯底是否暴露通過喇曼光譜測量以實(shí)施例1的<評價(jià)步驟>相同的方式確定。
改變單晶金剛石種襯底級差的量時，單晶金剛石種襯底脫落率示于圖9的圖表中。脫落率指10個試樣中每個試樣的級差量被拋光時，單晶金剛石種襯底每10個試樣損失的百分比。如圖9所示，當(dāng)單晶金剛石種襯底的級差量為30至100μm時，單晶金剛石種襯底在拋光步驟中完全不脫落，但與上述范圍的偏差增大時，單晶金剛石種襯底的損失往往逐漸增加。
級差的量改變時，單晶金剛石種襯底的脫落在拋光期間發(fā)生，表明損失對級差量的相關(guān)性。從而有可能防止單晶金剛石種襯底脫落，并提高金剛石襯底的收率。
實(shí)施例6本實(shí)施例解釋通過優(yōu)化<安裝步驟>中間隙的量，可以防止<拋光步驟>中單晶金剛石種襯底的脫落。
<安裝步驟>
所制備的碟形單晶金剛石種襯底是通過高溫高壓合成獲得的Ib型單晶金剛石。其尺寸為2.0mm直徑和330μm厚度。
硅襯底是具有主表面(111)的單晶襯底，其尺寸為直徑2英寸和厚度0.3mm。通過使用掩模和高頻等離子體的干式蝕刻在硅襯底主表面中心形成一個凹面。通過在2.0mm至2.3mm間以10μm增量改變直徑，制備各種形狀的硅襯底。硅襯底凹面為深度250μm的圓柱體，并且將單晶金剛石種襯底安裝在硅襯底凹面中。
制備間隙量從0μm至300μm以10μm增量變化的試樣，對于每個間隙量，使用100個試樣，共3100個試樣。這里，單晶金剛石種襯底的級差量為80μm。
<連接步驟>
單晶金剛石種襯底和硅襯底的主表面通過化學(xué)氣相沉積在這兩個表面上形成金剛石層來連接。公知的微波等離子體CVD用于形成CVD金剛石。金剛石合成條件控制在甲烷流量比例(甲烷流量/氫流量)為3％、硅襯底溫度為1000℃和壓力為1.2×104Pa，并且合成進(jìn)行至膜厚度與級差的量相同為止，其為80μm。合成時間約27小時。硅襯底上形成的CVD金剛石層和單晶金剛石種襯底上形成的CVD金剛石層都是多晶體。
<拋光步驟>
通過與實(shí)施例5中<拋光步驟>相同的方法進(jìn)行拋光，拋光至單晶金剛石種襯底暴露時為止。單晶金剛石種襯底是否已暴露通過喇曼光譜以實(shí)施例1<評價(jià)步驟>相同的方式確定。
改變間隙量時單晶金剛石種襯底的脫落率示于圖10中的圖表。損失率的定義與實(shí)施例5<拋光步驟>中的定義相同。如圖10所示，當(dāng)間隙量為0μm至200μm時，單晶金剛石種襯底在拋光步驟中完全不脫落。當(dāng)間隙量大于200μm時，單晶金剛石種襯底的損失逐漸傾向于增加。
隨著間隙量改變，某些單晶金剛石種襯底會在拋光期間脫落，表明損失對間隙量的相關(guān)性。從而可以防止單晶金剛石種襯底脫落，并提高金剛石襯底的收率。
實(shí)施例7在本實(shí)施例中，級差量和間隙量在<安裝步驟>中都改變，推導(dǎo)出單晶金剛石種襯底的級差量和間隙量間的關(guān)系，以便使單晶金剛石種襯底在<拋光步驟>中不會脫落。
<安裝步驟>
所制備的碟形單晶金剛石種襯底是通過高溫高壓合成獲得的Ib型單晶金剛石。其尺寸為2mm直徑和在260μm至450μm之間以10μm增量變化的厚度。
硅襯底是具有主表面(111)的單晶襯底，其尺寸為直徑2英寸和0.3mm厚度。通過使用掩模和高頻等離子體的干式蝕刻在硅襯底主表面中心形成一個凹面。通過在2.0mm至2.3mm間以10μm增量改變直徑，制備各種形狀的硅襯底。
制備試樣，使單晶金剛石種襯底的級差的量在10μm至200μm之間以10μm的增量變化，同樣使間隙量從0μm至300μm以10μm增量變化。對于每個級差量和每個間隙量，都使用10個試樣，共6200個試樣。
<連接步驟>
該步驟與實(shí)施例5中的<連接步驟>相同。
<拋光步驟>
通過與實(shí)施例5中<拋光步驟>相同的方法進(jìn)行拋光，拋光至單晶金剛石種襯底暴露時為止。單晶金剛石種襯底是否已暴露通過喇曼光譜以實(shí)施例1<評價(jià)步驟>相同的方式確定。
圖11所示是改變級差量和間隙量時單晶金剛石種襯底的脫落率為0％的區(qū)域。脫落率的定義與實(shí)施例5相同。如圖11所示，當(dāng)級差量與間隙量的比值大致為0.3或更大且120或更小時，單晶金剛石種襯底通過拋光不脫落。
通過改變級差量和間隙量，某些單晶金剛石種襯底會在拋光期間脫落，表明損失對級差量和間隙量的相關(guān)性。從而可以防止單晶金剛石種襯底脫落，并提高金剛石襯底的收率。
實(shí)施例8本實(shí)施例將描述采用在<安裝步驟>中為厚板的Si襯底的金剛石襯底的制備，然后描述增加通過在最后的步驟中對該硅襯底背面進(jìn)行表面研磨，使該硅襯底板的厚度變薄的步驟。于是，單獨(dú)步驟變成<安裝步驟>、<連接步驟>、<拋光步驟>，最后<表面研磨步驟>。
<安裝步驟>
所制備的單晶金剛石種襯底是通過高溫高壓合成獲得的碟形Ib型單晶金剛石。其尺寸為直徑2mm和厚度280μm。
硅襯底的主表面為(111)單晶襯底，其尺寸為直徑1英寸和厚度3mm。通過使用高頻等離子體的干式蝕刻在硅襯底主表面中形成4個凹面。
由以上，獲得的單晶金剛石種襯底的級差量為80μm，間隙量為50μm。制備1個試樣。
<連接步驟>
該步驟與實(shí)施例5中的<連接步驟>相同。
<拋光步驟>
通過與實(shí)施例5中<拋光步驟>相同的方法進(jìn)行拋光，拋光至單晶金剛石種襯底暴露時為止。單晶金剛石種襯底是否暴露通過喇曼光譜以實(shí)施例1<評價(jià)步驟>相同的方式確定。單晶金剛石種襯底在本拋光步驟中沒有脫落，并且將該金剛石襯底拋光至整個表面為鏡面拋光。
<表面研磨步驟>
用表面研磨機(jī)將作為金剛石襯底背面的Si襯底部分的板厚度研磨掉2.5mm。用GC磨石作為研磨的磨石，每次研磨掉5μm，磨500次后停止表面研磨。包括CVD金剛石層的金剛石襯底的板厚度為580μm，該襯底通過減薄Si襯底容易適應(yīng)于晶片加工。
實(shí)施例9在本實(shí)施例中，將描述將其中硼摻雜的單晶硅襯底用作導(dǎo)電襯底21，并在其上形成導(dǎo)電金剛石的實(shí)例。該導(dǎo)電襯底21的表面取向?yàn)?100)，其尺寸為直徑2英寸和厚度1mm。電阻率為9.0×10-2Ω·cm。在該導(dǎo)電襯底21上形成4個凹面22，所述的4個凹面從上面時成型為圓形(圖12)。凹面22的直徑為2mm并且深度為0.2mm。將自然形成的IIb型導(dǎo)電單晶金剛石種襯底4安裝在這些凹面22中(圖13)。該碟形襯底24的尺寸為直徑1.95mm和厚度0.25mm；電阻率為1.0×10-2Ω·cm；主表面取向?yàn)?100)。
然后，用化學(xué)氣相沉積(CVD)在該導(dǎo)電襯底21和導(dǎo)電單晶金剛石襯底24上生長導(dǎo)電金剛石25。用于生長的裝置是公知的熱絲CVD裝置；所用氣體為氫、甲烷和乙硼烷；相應(yīng)的流量比為1百萬比10,000比1。當(dāng)設(shè)定熱絲溫度為2050℃、襯底溫度為900℃，并生長金剛石60小時時，在導(dǎo)電襯底21和導(dǎo)電單晶金剛石襯底24上形成了導(dǎo)電多晶金剛石25的膜(圖14)。導(dǎo)電襯底21和導(dǎo)電單晶金剛石襯底24上形成的導(dǎo)電多晶金剛石25的膜厚度為60μm，且導(dǎo)電襯底21背面的翹曲不大于1μm。確定導(dǎo)電單晶金剛石襯底24和導(dǎo)電襯底21已通過導(dǎo)電多晶金剛石25牢固連接。該金剛石襯底的電阻率為9.5×10-2Ω·cm。
接著，將該金剛石襯底的導(dǎo)電多晶金剛石25側(cè)從峰部區(qū)域機(jī)械拋光60μm。結(jié)果，獲得了表面上出現(xiàn)導(dǎo)電單晶金剛石24的表面平坦的金剛石襯底，如圖15所示。在這種狀態(tài)下，確定導(dǎo)電單晶金剛石襯底24已通過導(dǎo)電多晶金剛石25而與導(dǎo)電襯底21牢固連接。
接著，當(dāng)在該金剛石襯底上旋涂光刻膠時，表面上的膜厚度分布顯示為1％或更小，于是證實(shí)了均勻涂層。通過在這種狀態(tài)下采用接觸型直線校準(zhǔn)器，可在該導(dǎo)電單晶金剛石上加工1μm寬的顯微結(jié)構(gòu)，且可確認(rèn)對半導(dǎo)體晶片加工的適用性。此外，如圖16所示，包括導(dǎo)電單晶金剛石4部分的3mm直徑的區(qū)域可以容易通過絲電火花加工切割掉。當(dāng)在頂面和底面上通過氣相沉積在該切割器件上形成鈦電極時，在頂面和底面上表現(xiàn)出滿意的歐姆特性，從而表明其反饋能力。
比較例3下面描述利用絕緣襯底的實(shí)例作為比較例3。采用未摻雜有雜質(zhì)的硅襯底作為用于安裝金剛石的襯底。未摻雜有雜質(zhì)的硅是本征半導(dǎo)體，是室溫下電阻率為1.0×105Ω.cm或更高的絕緣體。以圖12中的相同方式在該襯底上形成凹面22。用高溫高壓合成獲得的IIa型單晶金剛石襯底24作為單晶金剛石襯底。其尺寸和取向與實(shí)施例9相同。該單晶金剛石襯底24是室溫下電阻率為1.0×105Ω·cm或更高的絕緣體。
將這些襯底如圖13布置，用前述實(shí)施例9中相同型號的熱絲CVD裝置進(jìn)行金剛石的化學(xué)氣相沉積。所用氣體為氫氣和甲烷，流量比為100比1。除氣體外，膜形成條件與前述實(shí)施例9中相同，并且形成金剛石膜的結(jié)果是在硅襯底21和單晶金剛石襯底24上形成了60μm厚的多晶金剛石25。接著，用與實(shí)施例9相同的方法將金剛石側(cè)研磨和拋光，并通過氣相沉積在頂面和底面上形成鈦電極，但電極間的電阻率為1.0×105Ω.cm或更高，因此該器件是絕緣的。因此，表明該器件本身不能用作半導(dǎo)體器件。
比較例4另外，下面描述在導(dǎo)電襯底21表面上安裝導(dǎo)電單晶金剛石襯底24而不形成凹面的實(shí)例作為比較例4。在這里，除導(dǎo)電襯底21的凹面外，導(dǎo)電襯底21和導(dǎo)電單晶金剛石襯底24的類型、尺寸、取向和電阻率都與前述實(shí)施例9相同。這些襯底如圖17所示布置，并在與前述實(shí)施例9相同條件下形成金剛石膜。結(jié)果，在導(dǎo)電硅襯底21和導(dǎo)電單晶金剛石襯底24上形成了60μm厚的導(dǎo)電多晶金剛石25(圖18)。此時，在第二區(qū)和導(dǎo)電單晶金剛石襯底24上形成的導(dǎo)電多晶金剛石25就連接在一起，但當(dāng)接著進(jìn)行機(jī)械拋光時，導(dǎo)電單晶金剛石24分離，從而表明兩個襯底間的機(jī)械連接強(qiáng)度不足。
實(shí)施例10在本實(shí)施例中，將描述其中用導(dǎo)電碳化硅燒結(jié)體作為導(dǎo)電襯底21并在其上形成導(dǎo)電金剛石的實(shí)施例。該導(dǎo)電襯底21的尺寸為2英寸直徑和1mm厚度。電阻率為8.0×10-3Ω·cm。在該導(dǎo)電襯底21上形成4個凹面22(第一區(qū))，其從上觀看時為圓形(圖12)。凹面22的直徑為2mm和深度為0.2mm。
將通過高溫高壓合成獲得的并且包含硼作為雜質(zhì)的IIb型導(dǎo)電單晶金剛石種襯底4置于這些凹面22中(圖13)。該碟形襯底的尺寸為直徑1.95mm和厚度0.25mm；電阻率為8.5×10-2Ω·cm；主表面取向?yàn)閺?111)傾斜2°。
然后，用化學(xué)氣相沉積(CVD)在該導(dǎo)電襯底21和導(dǎo)電單晶金剛石襯底24上生長導(dǎo)電金剛石。用于生長的裝置是公知的微波等離子體CVD裝置；所用氣體為氫氣、甲烷和磷化氫；相應(yīng)的流量之比為1000比10比1。當(dāng)導(dǎo)入頻率2.45GHz的微波，控制導(dǎo)入功率為5kW、襯底溫度為1000℃并且生長金剛石60小時時，在導(dǎo)電襯底21和導(dǎo)電單晶金剛石襯底24上形成60μm厚的導(dǎo)電金剛石26的膜(圖19)。確定導(dǎo)電襯底21上的導(dǎo)電金剛石是包含磷作為雜質(zhì)的多晶金剛石，而導(dǎo)電單晶金剛石襯底24上的導(dǎo)電金剛石25為含有磷作為雜質(zhì)的單晶金剛石。導(dǎo)電襯底21背面的翹曲為1μm或更小。確定導(dǎo)電單晶金剛石24和26部分以及導(dǎo)電襯底21通過導(dǎo)電多晶金剛石25牢固連接。這些導(dǎo)電單晶金剛石24和26部分以及導(dǎo)電多晶金剛石25部分的電阻率為1.0×102Ω·cm。
然后，在該金剛石襯底的導(dǎo)電金剛石一側(cè)從峰部區(qū)域機(jī)械拋光55μm。結(jié)果獲得頂面平坦的金剛石襯底，如圖20所示。在這種狀態(tài)下，確定導(dǎo)電單晶金剛石襯底24和26通過導(dǎo)電多晶金剛石25而與導(dǎo)電襯底21牢固連接。
然后，當(dāng)在該金剛石襯底上旋涂光刻膠時，表面上的膜厚度分布顯示為1％或更小，于是實(shí)了均勻涂層。通過在這種狀態(tài)下采用接觸型直線校準(zhǔn)器，可在該導(dǎo)電單晶金剛石上加工1μm寬的顯微結(jié)構(gòu)，且可確認(rèn)半導(dǎo)體晶片加工的適用性。此外，試圖像實(shí)施例9那樣進(jìn)行相同的絲電火花加工，但電阻率太大，使該襯底不能通過電火花加工切割。于是，通過激光切割切下包括導(dǎo)電單晶金剛石部分的3mm直徑的區(qū)域。當(dāng)在頂面和底面上通過高頻濺射在該切割器件上形成鋁電極時，頂面和底面表現(xiàn)出滿意的歐姆特性，從而表明其反饋能力。將該器件置于真空中，并且確定當(dāng)在其背面施加200V負(fù)電壓時，從導(dǎo)電單晶金剛石部分在100mA下發(fā)射電子。
如上所述，通過實(shí)施例中提出的方法制備的金剛石襯底顯示，它們是可用于半導(dǎo)體晶片加工的大面積導(dǎo)電金剛石襯底。
權(quán)利要求
1.一種制造金剛石襯底的方法，該方法包括制備具有包含為凹面的第一區(qū)和圍繞該第一區(qū)的第二區(qū)的主表面的襯底，并在第一區(qū)上安裝板厚度大于第一區(qū)的凹面深度的單晶金剛石種襯底的安裝步驟；通過化學(xué)氣相沉積，從單晶金剛石種襯底形成CVD金剛石層，并通過在第二區(qū)上同時形成CVD金剛石層相互連接的連接步驟；和通過機(jī)械拋光，將單晶金剛石種襯底上的CVD金剛石層和第二區(qū)上的CVD金剛石層都拋光至基本上平坦的拋光步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制造金剛石襯底的方法，其中具有主表面的襯底為硅襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中第一區(qū)的形狀當(dāng)從主表面上看時是圓形、橢圓形，或多邊形，所述多邊形具有角度為60°或更大的在兩條邊延長線之間的角，且多邊形的所有轉(zhuǎn)角半徑為50μm或更大。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中將安裝在第一區(qū)中的單晶金剛石種襯底當(dāng)從主表面上看時是圓形、橢圓形，或至少一個轉(zhuǎn)角的兩條邊的延長線之間的頂角為60°或更大的多邊形，且多邊形的所有轉(zhuǎn)角半徑為50μm或更大。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中級差量為30μm或更大和100μm或更小，所述的級差為單晶金剛石種襯底的主表面與硅襯底的主表面間的級差。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中間隙量為200μm或更小，所述的間隙為單晶金剛石種襯底與第一區(qū)的凹面間的間隙。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中級差量與間隙量之間的關(guān)系是級差量與間隙量之比為0.3或更大且120或更小，所述的級差為單晶金剛石種襯底的主表面與硅襯底的主表面間的級差，所述的間隙為單晶金剛石種襯底與第一區(qū)的凹面間的間隙。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中單晶金剛石種襯底的主表面的平面取向?yàn)?111)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中硅襯底主表面是平面取向?yàn)?111)的單晶。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中第二區(qū)上形成的CVD金剛石層是多晶金剛石。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中第二區(qū)上形成的CVD金剛石層是(111)取向的金剛石。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中拋光步驟后金剛石襯底頂面的翹曲在±10μm以內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中拋光步驟后金剛石襯底背面的翹曲在±10μm以內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中拋光步驟后第二區(qū)上的CVD金剛石層厚度為10μm或更大。
15.根據(jù)權(quán)利要求2的制造金剛石襯底的方法，其中在拋光步驟期間制備凹槽，且該凹槽圍繞單晶金剛石種襯底的全部或部分表面。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的制造金剛石襯底的方法，其中單晶金剛石種襯底周圍的凹槽深度為3μm或更小，且其寬度為20μm或更小。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的制造金剛石襯底的方法，其中具有主表面的襯底是導(dǎo)電襯底；單晶金剛石種襯底是導(dǎo)電單晶金剛石種襯底；且CVD金剛石層是導(dǎo)電多晶金剛石層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的制造金剛石襯底的方法，其中導(dǎo)電多晶金剛石層包括外延生長的導(dǎo)電單晶金剛石層。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的制造金剛石襯底的方法，其中導(dǎo)電襯底和導(dǎo)電多晶金剛石層的電阻率為1×10-1Ω·cm或更小。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的制造金剛石襯底的方法，其中導(dǎo)電單晶金剛石種襯底和導(dǎo)電多晶金剛石層含有作為雜質(zhì)的至少一種選自氫、鋰、硼、氮、鋁、硅、磷和硫中的元素。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的制造金剛石襯底的方法，其中導(dǎo)電襯底包含至少一種選自硅、碳化硅、氮化硅、氮化鋁和氮化硼中的材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的制造金剛石襯底的方法，其中拋光步驟采用蝕刻。
23.根據(jù)權(quán)利要求17的制造金剛石襯底的方法，該方法還包括在拋光步驟后通過電火花加工切割金剛石襯底的步驟。
24.一種金剛石襯底，其包含具有包含為凹面的第一區(qū)和圍繞該第一區(qū)的第二區(qū)的主表面的襯底，第一區(qū)上提供的板形單晶金剛石部分，和第二區(qū)上提供的層形多晶金剛石部分，其中單晶金剛石部分通過與多晶金剛石部分連接而固定在襯底上，且單晶金剛石部分和多晶金剛石部分基本上是平坦和一體的。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的金剛石襯底，其中具有主表面的襯底是硅襯底。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中硅襯底凹面的形狀從主表面上看是圓形、橢圓形，或至少一個轉(zhuǎn)角的兩條邊的延長線間的頂角為60°或更大的多邊形，且多邊形的所有轉(zhuǎn)角半徑為50μm或更大。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中單晶金剛石部分從主表面上看是圓形、橢圓形，或至少一個轉(zhuǎn)角的兩條邊的延長線之間的頂角為60°或更大的多邊形，且多邊形的所有轉(zhuǎn)角半徑為50μm或更大。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中級差量為30μm或更大且100μm或更小，所述的級差為單晶金剛石部分的主表面與硅襯底的主表面間的級差。
29.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中間隙量為200μm或更小，所述的間隙為單晶金剛石部分與硅襯底的凹面間的間隙。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29的金剛石襯底，其中級差量與間隙量之間的關(guān)系是級差量與間隙量之比為0.3或更大且120或更小。
31.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中單晶金剛石部分的主表面的平面取向?yàn)?111)。
32.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中硅襯底的主表面是平面取向?yàn)?111)的單晶。
33.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中多晶金剛石部分是CVD金剛石。
34.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中多晶金剛石部分是(111)取向的金剛石。
35.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中金剛石襯底頂面的翹曲在±10μm以內(nèi)。
36.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中金剛石襯底背面的翹曲在±10μm以內(nèi)。
37.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中硅襯底上多晶金剛石部分的厚度為10μm或更大。
38.根據(jù)權(quán)利要求25的金剛石襯底，其中存在圍繞全部或部分單晶金剛石部分的凹槽。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的金剛石襯底，其中凹槽深度為3μm或更小，寬度為20μm或更小。
40.根據(jù)權(quán)利要求24的金剛石襯底，其中具有主表面的襯底是導(dǎo)電襯底；單晶金剛石部分是導(dǎo)電的；且多晶金剛石部分是導(dǎo)電的。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的金剛石襯底，其中導(dǎo)電單晶金剛石部分包括外延生長的導(dǎo)電單晶金剛石層。
42.根據(jù)權(quán)利要求40的金剛石襯底，其中導(dǎo)電單晶金剛石部分、導(dǎo)電多晶金剛石部分和導(dǎo)電襯底的電阻率為1×10-1Ω·cm或更小。
43.根據(jù)權(quán)利要求40的金剛石襯底，其中導(dǎo)電單晶金剛石部分和導(dǎo)電多晶金剛石部分含有作為雜質(zhì)的至少一種選自氫、鋰、硼、氮、鋁、硅、磷和硫中的元素。
44.根據(jù)權(quán)利要求40的金剛石襯底，其中導(dǎo)電襯底包含至少一種選自硅、碳化硅、氮化硅、氮化鋁和氮化硼中的材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制造大型金剛石襯底的方法，以及通過該方法制備的適合半導(dǎo)體石印加工和大型光學(xué)部件、半導(dǎo)體材料、放熱襯底、半導(dǎo)體晶片加工和反饋器件等的襯底。本發(fā)明的金剛石襯底的制造方法包括制備具有包含為凹面的第一區(qū)和圍繞該第一區(qū)的第二區(qū)的主表面的襯底，并在第一區(qū)上安裝板厚度大于第一區(qū)的凹面深度的單晶金剛石種襯底的安裝步驟；通過化學(xué)氣相沉積，從單晶金剛石種襯底形成CVD金剛石層，并通過在第二區(qū)上同時形成CVD金剛石層，從而相互連接的連接步驟；和通過機(jī)械拋光，將單晶金剛石種襯底上和第二區(qū)上的CVD金剛石層都拋光至基本上平坦的拋光步驟。
文檔編號C30B25/02GK1840748SQ20061007156
公開日2006年10月4日 申請日期2006年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月28日
發(fā)明者目黑貴一, 谷崎圭祐, 難波曉彥, 山本喜之, 今井貴浩 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社