一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法与流程

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1.本发明属于单晶金刚石材料制备技术领域，特别涉及一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法。

背景技术：

2.金刚石具有极为优异的力学、热学、光学和电学性能，如硬度极高、热导率高、光学透过波段宽、禁带宽度大和载流子迁移率高等，被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件的“终极半导体”材料。单晶金刚石内部无晶界存在，与多晶金刚石相比具有更高的载流子迁移率以及电荷收集效率，因此在量子通信／计算、辐射探测器、冷阴极场发射显示器、半导体激光器等前沿科技领域的应用效果突出。
3.天然金刚石与高温高压法合成的单晶金刚石尺寸较小且杂质含量较高，难以满足电子器件的应用需求。微波等离子体化学气相沉积（mpcvd）技术具有等离子体密度高、无极放电、无污染、外延可控性强等技术特点，是实现高质量单晶金刚石生长的首选方法。同质外延方法虽然可以获得较低的缺陷密度（约10
4-5
/cm2），但受限于单晶衬底的尺寸，大尺寸单晶金刚石的制备通常是采用将多个晶体取向一致的单晶金刚石拼接生长的方法来实现，如yamada团队采用“lift-off”技术得到多个晶向特征一致的单晶片用作拼接的晶种，实现了从20mm
×
20mm到2英寸单晶金刚石的制备，但是最终各个晶种间的接缝依然非常明显，无损加工难度非常高。
4.拼接法的技术难点主要集中在衬底的晶向控制和接缝处的微观间隙控制上，由于生长过程中界面难以实现无缝排列，衬底拼接摆放不够紧密、稍有错位就会导致拼接生长的大面积单晶金刚石接缝处出现亚晶界甚至是缝隙，造成该区域的位错缺陷和应力集中，严重影响晶体质量，无法满足大尺寸电子级金刚石的制备。为解决衬底摆放时微观间隙存在错位导致拼接单晶金刚石接缝处出现亚晶界等缺陷的问题，专利cn114032610a设计了一种马赛克拼接装置，通过压缩弹簧同时均匀的向内挤压单晶衬底片，使衬底片之间接触更加紧密；专利cn104878447a描述了一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底原位连接方法，利用真空钎焊技术实现单晶的原位连接。这些方法虽然可以实现两个籽晶在化学气相沉积过程中的位置固定，但仍仅限于在宏观尺度上对衬底进行定位，难以解决微米尺度上的错位摆放导致的晶体缺陷问题。

技术实现要素：

5.本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，通过化学气相沉积在一次外延层表面生长单晶金刚石二次外延层。
6.为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，包括以下步骤：（1）选取4-16片主表面是(100)取向的单晶金刚石作为衬底，并进行超声清洗后，随后将单晶金刚石衬底紧密摆放后放入微波等离子体设备的样品台中，抽真空后通入反应
气体，在衬底表面化学气相沉积生长单晶金刚石一次外延层；（2）将激光器焦点聚焦在多片单晶金刚石衬底正交交点处，使用激光在交点处的缺陷位置刻蚀矩形微槽；（3）对激光处理后的拼接晶体进行常规清洗，随后再对拼接晶体一次外延层表面进行离子清洗，去除激光烧蚀产生的污染物；（4）将刻槽处理后的拼接晶体放入微波等离子体设备的腔体中，在一次外延层表面化学气相沉积生长单晶金刚石二次外延层，实现大尺寸高质量单晶金刚石拼接生长。
7.步骤（1）中，单晶金刚石衬底为高温高压法或化学气相沉积法合成的无宏观缺陷且位错密度低于5000/cm2的单晶金刚石晶体，晶体按照（100）晶面方向且误差不超过
±1°
。
8.步骤（1）中，单晶金刚石衬底以“边对边”的方式正交摆放，相邻单晶金刚石籽晶的间距为50～300μm，且厚度偏差不超过5μm。
9.步骤（1）中，衬底表面沉积单晶金刚石一次外延层采用微波等离子体化学气相沉积法，条件为温度800-1000℃，气压100～140torr，功率4～6kw，氢气流量500-1000sccm，甲烷流量30-60sccm，氮气流量0.1-1sccm，生长时间10～20h。
10.步骤（2）中，设定激光功率为9～13w，激光步长为15～25mm/s。
11.步骤（2）中，矩形微槽的邻边分别与正方形金刚石衬底的一组邻边平行，矩形微槽短边长度为50～200μm，矩形微槽深度为20～30μm。
12.步骤（3）中，刻槽处理后的拼接晶体依次放置在丙酮、无水乙醇和去离子水中浸泡清洗，浸泡时间为15-30min。
13.步骤（3）中，离子清洗采用的气体为h2或者h2/o2混合气体，o2比例为总气体体积的0%-4%，刻蚀温度为700-950℃，清洗时间为30min。
14.步骤（4）中，衬底表面沉积单晶金刚石二次外延层的方法采用微波等离子体化学气相沉积法，条件为温度900-1200℃，气压100～140torr，功率4～6kw，氢气流量500-1000sccm，甲烷流量30-60sccm，氮气流量0.5-1sccm，生长时间40～80h。
15.步骤（2）中，激光器焦点聚焦在4片单晶金刚石衬底正交交点处。
16.本发明的有益效果是：（1）本发明公开了一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，通过化学气相沉积在衬底表面沉积生长形成一次外延层，再用激光将多个衬底正交交点处的晶体缺陷去除并形成矩形槽；通过常规清洗和离子清洗去除拼接晶体一次外延层表面的污染物后，通过化学气相沉积在一次外延层表面生长单晶金刚石二次外延层；采用该方法拼接生长后拼接晶体多个衬底正交交点处无晶体缺陷。
17.（2）激光刻蚀微槽后二次外延的方法在不需要对衬底进行高精度加工和定位摆放的条件下即可提高多个衬底交点处结晶质量、减少晶体缺陷，工艺简单，可操作性更强，解决了微米尺度上的错位摆放导致的晶体缺陷问题。
18.（3）激光刻槽进行缺陷定点消除具有定位精准、形状可控加工精度高、等优势，可根据缺陷位置与尺寸进行精准刻蚀，且形成的微槽侧面与主晶面垂直，保证刻槽后无其他晶面暴露，晶面方向满足二次外延同质连接的条件。
19.（4）在二次外延生长前，通过一次外延生长过程将多个衬底连接成为一个整体，极大降低了不同衬底间的温度差异，使得所有衬底都处于相似的生长条件下，同质连接生长
效果更好，从而提高界面处金刚石的结晶质量。
附图说明
20.图1是本发明实施方案的不同阶段；图2是4片9
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9mm2单晶金刚石以“边对边”的方式正交摆放的光学显微镜图；图3是4片9
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9mm2单晶金刚石一次化学气相沉积生长后拼接中心点的光学显微镜图；图4是图3中矩形区域的局部放大示意图；图5是4片9
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9mm2单晶金刚石二次化学气相沉积生长后拼接中心点的光学显微镜图。
具体实施方式
21.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
22.本发明提供了一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，如图1至图5所示。
23.实施例1一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，包括以下步骤：（1）选取4-16片主表面是(100)取向的单晶金刚石作为衬底，并进行超声清洗后，随后将单晶金刚石衬底紧密摆放后放入微波等离子体设备的样品台中，抽真空后通入反应气体，在衬底表面化学气相沉积生长单晶金刚石一次外延层；（2）将激光器焦点聚焦在4片单晶金刚石衬底正交交点处，使用激光在交点处的缺陷位置刻蚀矩形微槽；（3）对激光处理后的拼接晶体进行常规清洗，随后再对拼接晶体一次外延层表面进行离子清洗，去除激光烧蚀产生的污染物；（4）将刻槽处理后的拼接晶体放入微波等离子体设备的腔体中，在一次外延层表面化学气相沉积生长单晶金刚石二次外延层，实现大尺寸高质量单晶金刚石拼接生长。
24.具体如下：选用4片化学气相沉积法合成的9
×9×
0.25mm3单晶金刚石作为衬底，衬底厚度偏差为5μm，生长表面无宏观缺陷，位错密度低于5000/cm2。
25.用丙酮、无水乙醇和去离子水对衬底进行超声清洗，将衬底紧密摆放后放入微波等离子体设备腔体内。如图2所示，4个衬底顶点位置存在100-200μm的摆放间隙。
26.在衬底生长表面化学气相沉积单晶金刚石一次外延层，采用微波等离子体化学气相沉积法，沉积条件为：温度870℃，气压110torr，功率5.5kw，氢气流量700sccm，甲烷流量30sccm，氮气流量0.2sccm，沉积时间12h，如图3所示，在一次外延层上衬底正交交点处存在非（100）晶面和晶体缺陷。
27.采用绿激光切割机在一次外延层上衬底正交交点处的缺陷位置刻蚀矩形微槽，激光功率为9.5w，激光步长为20mm/s，矩形微槽尺寸为0.2
×
0.8mm2，深度为0.03mm。
28.将拼接晶体依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中进行清洗，每次浸泡20min；再
对拼接晶体一次外延层表面进行离子清洗，采用h2/o2混合气体，o2比例为总气体体积的4%，刻蚀温度为850℃，清洗时间为30 min。
29.将刻槽处理后的拼接晶体放入微波等离子体设备的腔体中，在一次外延层表面化学气相沉积生长单晶金刚石二次外延层，采用微波等离子体化学气相沉积法，沉积条件为：温度950℃，气压110torr，功率5.5kw，氢气流量700sccm，甲烷流量30sccm，氮气流量0.5sccm，沉积时间48h。
30.如图4所示，二次外延生长后衬底正交交点处无缺陷存在，拼接界面处结晶质量较好。
31.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

技术特征：

1.一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）选取4-16片主表面是(100)取向的单晶金刚石作为衬底，并进行超声清洗后，随后将单晶金刚石衬底紧密摆放后放入微波等离子体设备的样品台中，抽真空后通入反应气体，在衬底表面化学气相沉积生长单晶金刚石一次外延层；（2）将激光器焦点聚焦在多片单晶金刚石衬底正交交点处，使用激光在交点处的缺陷位置刻蚀矩形微槽；（3）对激光处理后的拼接晶体进行常规清洗，随后再对拼接晶体一次外延层表面进行离子清洗，去除激光烧蚀产生的污染物；（4）将刻槽处理后的拼接晶体放入微波等离子体设备的腔体中，在一次外延层表面化学气相沉积生长单晶金刚石二次外延层，实现大尺寸高质量单晶金刚石拼接生长。2.根据权利要求1所述的一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，其特征在于：步骤（1）中，单晶金刚石衬底为高温高压法或化学气相沉积法合成的无宏观缺陷且位错密度低于5000/cm2的单晶金刚石晶体，晶体按照（100）晶面方向且误差不超过
±1°
。3.根据权利要求1所述的一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，其特征在于：步骤（1）中，单晶金刚石衬底以“边对边”的方式正交摆放，相邻单晶金刚石籽晶的间距为50～300μm，且厚度偏差不超过5μm。4.根据权利要求1所述的一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，其特征在于：步骤（1）中，衬底表面沉积单晶金刚石一次外延层采用微波等离子体化学气相沉积法，条件为温度800-1000℃，气压100～140torr，功率4～6kw，氢气流量500-1000sccm，甲烷流量30-60sccm，氮气流量0.1-1sccm，生长时间10～20h。5.根据权利要求1所述的一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，其特征在于：步骤（2）中，设定激光功率为9～13w，激光步长为15～25mm/s。6.根据权利要求1所述的一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，其特征在于：步骤（2）中，矩形微槽的邻边分别与正方形金刚石衬底的一组邻边平行，矩形微槽短边长度为50～200μm，矩形微槽深度为20～30μm。7.根据权利要求1所述的一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，其特征在于：步骤（3）中，刻槽处理后的拼接晶体依次放置在丙酮、无水乙醇和去离子水中浸泡清洗，浸泡时间为15-30min。8.根据权利要求1所述的一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，其特征在于：步骤（3）中，离子清洗采用的气体为h2或者h2/o2混合气体，o2比例为总气体体积的0%-4%，刻蚀温度为700-950℃，清洗时间为30min。9.根据权利要求1所述的一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，其特征在于：步骤（4）中，衬底表面沉积单晶金刚石二次外延层的方法采用微波等离子体化学气相沉积法，条件为温度900-1200℃，气压100～140torr，功率4～6kw，氢气流量500-1000sccm，甲烷流量30-60sccm，氮气流量0.5-1sccm，生长时间40～80h。10.根据权利要求1所述的一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，其特征在于：步骤（2）中，激光器焦点聚焦在4片单晶金刚石衬底正交交点处。

技术总结

本发明公开了一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法，通过化学气相沉积在衬底表面沉积生长形成一次外延层，再用激光将多个衬底正交交点处的晶体缺陷去除并形成矩形槽；通过常规清洗和离子清洗去除拼接晶体一次外延层表面的污染物后，通过化学气相沉积在一次外延层表面生长单晶金刚石二次外延层；采用该方法拼接生长后能够得到拼接晶体多个衬底正交交点处无晶体缺陷的大尺寸单晶金刚石拼接晶体。拼接晶体。拼接晶体。