CN111745305A - 一种实现金刚石单晶衬底表面取向的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种实现金刚石单晶衬底表面取向的方法，具体的，根据衬底的目标表面与体块金刚石的(100)晶面或者(111)晶面的夹角、以及所述衬底的目标取向，确定夹具的固定端面与定位端面之间的夹、确定所述固定端面相对于水平面的倾斜角以及定位端面在所述固定端面上的设置位置，然后，将所述体块金刚石设置在所述夹具上后，使激光沿水平方向入射至体块金刚石，以将该体块金刚石切割为片状的衬底。本申请通过固定端面与定位端面固定体块金刚石，来实现精确地表面取向控制，经过激光切割后获得取向明确的金刚石衬底材料，并且，该方法操作简单高效，可实现任意取向的金刚石衬底的制备。

Description

一种实现金刚石单晶衬底表面取向的方法
技术领域
本申请涉及金刚石加工技术领域，尤其涉及一种实现金刚石单晶衬底表面取向的方法。
背景技术
金刚石具有非常优异的物理和化学性质，在机械加工、微电子学、光学及电化学等领域有着广阔的应用前景。
金刚石的人工合成有许多途径，目前应用最广泛有两种主要方法：高温高压法(HPHT)和化学气相沉积法(CVD)。顾名思义HPHT是模拟天然金刚石的成晶条件，在高工作压力和高温度下合成金刚石单晶体的长晶方法。由于生长方法的限制，HTHP存在以下需要高精确控制压力和温度、大面积大体块生长困难等问题，这使得HPHT生长的金刚石材料在电子学和光电子的器件领域应用非常的有限。现阶段在半导体的器件领域，HPHT生长的金刚石主要作为CVD生长的籽晶使用。
其中，在制备CVD籽晶过程中，需要将HTHP的金刚石材料切割成片状。参考其他成熟材料体系，对于衬底材料的表面取向有严格的要求，同样，对于金刚石而言同样需要精确控制晶面角度和取向。生长研究表明不同取向对生长影响，特别是拼接生长中，采用偏向角度3°的衬底材料，边缘为<100>的金刚石材料可以有效的减低拼接缝隙；而在Diamond-on-GaN一般采用的金刚石的(111)面进行生长。
但是，金刚石不仅最高的硬度和强度，还具有低摩擦系数和耐化学腐蚀等特性，金刚石的这些固有特性和稀有性，使得其加工制造技术十分困难，尤其是制造出满足电子学的半导体金刚石。因此，如何制备出满足表面取向的金刚石衬底材料是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种实现金刚石单晶衬底表面取向的方法及夹具，以获得表面取向明确的金刚石衬底材料。
本申请实施例提供的一种实现金刚石单晶衬底表面取向的方法，包括：
获取体块金刚石的(100)晶面和(111)晶面；
确定衬底的目标表面与所述体块金刚石的(100)晶面或者(111)晶面的夹角；
根据所述夹角，确定夹具的固定端面与定位端面之间的夹角；
根据所述衬底的目标取向，确定所述固定端面相对于水平面的倾斜角、所述定位端面在所述固定端面上的设置位置；
将所述体块金刚石设置在所述夹具上，其中，所述体块金刚石中与所述目标表面相同的表面固定在所述固定端面上、与所述目标表面相邻的(100)晶面或者(111)晶面固定在所述定位端面上；
使激光沿水平方向入射，以将所述体块金刚石切割为片状的衬底。
可选地，所述衬底的目标表面为(100)晶面、目标取向为(110)偏(100)N°；其中：
确定衬底的目标表面与所述体块金刚石的(100)晶面或者(111)晶面的夹角；根据所述夹角，确定夹具的固定端面与定位端面之间的夹角；根据所述衬底的目标取向，确定所述固定端面相对于水平面的倾斜角、所述定位端面在所述固定端面上的设置位置，包括：
确定衬底的目标(100)晶面与所述体块金刚石的第二(100)晶面的夹角为90°，其中，所述体块金刚石的(100)晶面包括第一(100)晶面和第二(100)晶面，所述第一(100)晶面与所述衬底的目标(100)晶面相平行；
设置夹具的固定端面与定位端面之间的夹角为90°；
根据所述衬底的(110)偏(100)N°的取向，设置所述固定端面相对于水平面的倾斜角为N°、并将所述定位端面设置在所述固定端面的中线最低点处，其中，N大于或等于0。
可选地，将所述体块金刚石设置在所述夹具上，包括：
将所述体块金刚石的所述第一(100)晶面固定在所述固定端面上、所述第二(100)晶面固定在所述定位端面上。
可选地，所述衬底的目标表面为(100)晶面、目标取向为(100)偏(110)N°；其中：
确定衬底的目标表面与所述体块金刚石的(100)晶面或者(111)晶面的夹角；根据所述夹角，确定夹具的固定端面与定位端面之间的夹角；根据所述衬底的目标取向，确定所述固定端面相对于水平面的倾斜角、所述定位端面在所述固定端面上的设置位置，包括：
确定衬底的目标(100)晶面与所述体块金刚石的第二(100)晶面的夹角为90°，其中，所述体块金刚石的(100)晶面包括第一(100)晶面和第二(100)晶面，所述第一(100)晶面与所述衬底的目标(100)晶面相平行；
设置夹具的固定端面与定位端面之间的夹角为90°；
根据所述衬底的(100)偏(110)N°的取向，设置所述固定端面相对于水平面的倾斜角为N°，将所述定位端面设置在所述固定端面的中线最低点处、所述定位端面与所述固定端面的最高点和最低点连线成45°夹角，其中：N大于或等于0。
可选地，将所述体块金刚石设置在所述夹具上，包括：
将所述体块金刚石的所述第一(100)晶面固定在所述固定端面上、所述第二(100)晶面固定在所述定位端面上。
可选地，所述衬底的目标表面为(111)面、目标取向为偏0°；其中：
确定衬底的目标表面与所述体块金刚石的(100)晶面或者(111)晶面的夹角；根据所述夹角，确定夹具的固定端面与定位端面之间的夹角；根据所述衬底的目标取向，确定所述固定端面相对于水平面的倾斜角、所述定位端面在所述固定端面上的设置位置，包括：
确定衬底的目标(111)晶面与所述体块金刚石的(100)晶面的夹角为125.26°；
设置夹具的固定端面与定位端面之间的夹角为125.26°；
根据所述衬底的(0°的取向，设置所述固定端面相对于水平面的倾斜角为0°。
可选地，将所述体块金刚石设置在所述夹具上，包括：
将所述体块金刚石的111)表面固定在所述固定端面上、所述(100)晶面固定在所述定位端面上。
可选地，使激光沿水平方向入射，以将所述体块金刚石切割为片状的衬底之前，所述还包括：
在所述体块金刚石的(100)晶面或(111)晶面进行激光打标，其中，所述体块金刚石中固定在所述固定端面上的表面与进行激光打标的表面不平行。
本申请实施例提供的实现金刚石单晶衬底表面取向的方法，根据衬底的目标表面与体块金刚石的(100)晶面或者(111)晶面的夹角、以及所述衬底的目标取向，设定夹具的固定端面与定位端面，然后，将所述体块金刚石设置在所述夹具上后，使激光沿水平方向入射，以将该体块金刚石切割为片状的衬底。本实施例通过固定端面与定位端面固定体块金刚石，来实现精确地表面取向控制，经过激光切割后获得取向明确的金刚石衬底材料，并且，该方法操作简单高效，可实现任意取向的金刚石衬底的制备。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实例提供的一种实现金刚石单晶衬底表面取向的方法的基本流程示意图；
图2为本申请实例提供的标注体块金刚石的表面取向的示意图；
图3a为图2中标注1表面的劳厄斑示意图；
图3b为图2中标注2表面的劳厄斑示意图；
图3c为图2中标注3表面的劳厄斑示意图；
图4a为本申请第一实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图一；
图4b为本申请第一实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图二；
图5为本申请第一实施例提供的切割后的金刚石衬底XRD测试结果；
图6a为本申请第二实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图一；
图6b为本申请第二实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图二；
图7为本申请第二实施例提供的切割后的金刚石衬底XRD测试结果；
图8a为本申请第三实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图一；
图8b为本申请第三实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图二。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
为获得目标取向的金刚石衬底，本实施提供了一种可实现金刚石衬底精确表面取向的方法。图1为本申请实例提供的一种实现金刚石单晶衬底表面取向的方法的基本流程示意图。如图1所示，该方法主要包括如下步骤：
S110：获取体块金刚石的(100)晶面和(111)晶面。
金刚石主要有三个晶面，分别是(100)、(111)和(110)晶面。其中，(111)晶面的密度最高，其硬度和耐磨性最高，磨削率最低，但在两相邻晶面间最易解理劈开；(110)晶面磨削率最高，即最易破损、最好磨；(100)晶面的密度最低，其硬度低、强度高。而体块金刚石中裸露在外的表面，通常只有(100)晶面和(111)晶面的面积较大，其它表面的面积较小，为便于后续的定位，因此，本实施例利用劳厄X射线定向仪、高分辨X射线摇摆曲线等方法明确体块金刚石的(100)晶面和(111)晶面的取向。
S120：确定衬底的目标表面与所述体块金刚石的(100)晶面或者(111)晶面的夹角。
本实施例将加工后所得到的片状的金刚石衬底上表面或下表面称为其目标表面。
S130：根据所述夹角，确定夹具的固定端面与定位端面之间的夹角。
本实施例设置用于固定体块金刚石的夹具，其由固定部、设置在固定部上的定位部两部分组成，其中，固定部上用于与体块金刚石相接触的表面称为固定端面、定位部上用于与固定端面相接触的表面称为固定端面。
S140：根据所述衬底的目标取向，确定所述固定端面相对于水平面的倾斜角、所述定位端面在所述固定端面上的设置位置。
本实施例加工后所得到的片状的金刚石衬底的偏向角度称为其目标取向。
S150：将所述体块金刚石设置在所述夹具上，其中，所述体块金刚石中与所述目标表面相同的表面固定在所述固定端面上、与所述目标表面相邻的(100)晶面或者(111)晶面固定在所述定位端面上。
例如，可以采用胶水、蜡油等将体块金刚石固定在夹具上。
S160：使激光沿水平方向入射，以将所述体块金刚石切割为片状的衬底。
进一步的，由于体块金刚石通常是不规则的形状，为便于后期片状衬底边缘取向的确认，在进行激光切割前，本实施例还利用激光在体块金刚石的(100)晶面或者(110)表面进行打标，其中，体块金刚石中固定在所述固定端面上的表面与进行激光打标的表面不平行。
本实施例利用特定角度的夹具，通过两个面固定，来实现精确地表面取向控制，经过切割后，便获得取向明确的金刚石衬底，并且该方法操作简单高效，可实现任意取向的金刚石衬底的制备。
基于上述方法，下面结合具体的衬底目标表面和目标取向对上述方法进行介绍。
图2为本申请实例提供的标注体块金刚石的表面取向的示意图；图3a为图2中标注1表面的劳厄斑示意图；图3b为图2中标注2表面的劳厄斑示意图；图3c为图2中标注3表面的劳厄斑示意图。如图2至3c所示，使用HTHP生长的体块金刚石晶体具有多个显露面，本实施例通过劳厄方式，明确金刚石显露面的表面取向，其中，标注是1和2的表面均为(100)晶面，其劳厄斑如图3a和3b，而标注为3的晶面为(111)晶面，其劳厄斑如图3c所示，需要说明的是，本实施例所提到的体块金刚石晶体并不限于用HTHP生长方法得到的晶体。
本实施例中切割得到的金刚石衬底的目标表面为(100)晶面、目标取向为(110)偏(100)N°，其中，N大于或等于0且小于90，本实施中N的取值为2.5。
图4a为本申请第一实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图一，图4b为本申请第一实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图二。如图4a和4b所示，根据衬底的上述参数要求，可以确定衬底的目标表面即(100)晶面与体块金刚石300的第二(100)晶面302的夹角为90°，其中，本实施例将上述体块金刚石中标注是1和2的晶面分别称为第一(100)晶面301和第二(100)晶面302，第一(100)晶面301与衬底的目标晶面相平行，进而设置夹具的固定端面201与定位端面202之间的夹角为90°，设置固定端面201相对于水平面的倾斜角为2.5°、并将定位端面202设置在固定端面201的中线、即最低点A和最高点B连线处的最低点处；其次，用激光在第二(100)晶面302打标，以帮助切割后的衬底的晶面和定位边确认；然后，再将体块金刚石300的第一(100)晶面301固定在固定端面201上、第二(100)晶面302固定在定位端面202上；最后，使激光100沿着水平方向入射到体块金刚石300上，并根据预设衬底厚度要求，将该将体块金刚石300切割为片状的金刚石衬底。
图5为本申请第一实施例提供的切割后的金刚石衬底XRD(X射线衍射)测试结果。如图5所示，得到的衬底取向恰好为(110)偏(100)2.5°。
本实施例中切割得到的金刚石衬底的目标表面为(100)晶面、目标取向为(100)偏(110)N°，其中，N大于或等于0且小于90，本实施中N的取值为4。
图6a为本申请第二实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图一，图6b为本申请第二实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图二。如图6a和6b所示，根据衬底的上述参数要求，可以确定衬底的目标表面即(100)晶面与体块金刚石300的第二(100)晶面302的夹角为90°，其中，本实施例将上述体块金刚石中标注是1和2的晶面分别称为第一(100)晶面301和第二(100)晶面302，第一(100)晶面301与衬底的目标晶面相平行，进而设置夹具的固定端面201与定位端面202之间的夹角为90°，设置固定端面201相对于水平面的倾斜角为4°、并将定位端面202设置在固定端面201的中线、即最低点A和最高点B连线处的最低点处、定位端面202与固定端面201的最低点A和最高点B连线成45°夹角；其次，用激光在第二(100)晶面302打标，以帮助切割后的衬底的晶面和定位边确认；然后，再将体块金刚石300的第一(100)晶面301固定在固定端面201上、第二(100)晶面302固定在定位端面202上；最后，使激光100沿着水平方向入射到体块金刚石300上，并根据预设衬底厚度要求，将该将体块金刚石300切割为片状的金刚石衬底。
图7为本申请第二实施例提供的切割后的金刚石衬底XRD(X射线衍射)测试结果。如图7所示，得到的衬底取向为(100)偏(110)4.1°，与目标取向4°约相等。
本实施例中切割得到的金刚石衬底的目标表面为(111)晶面、目标取向为0°。
图8a为本申请第三实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图一，图8b为本申请第三实施例提供的体块金刚石在夹具上固定后的示意图二。如图8a和8b所示，根据衬底的上述参数要求，可以确定衬底的目标表面即图2中标注3的(111)晶面303与体块金刚石300的第二(100)晶面302的夹角125.26°，其中，本实施例将上述体块金刚石中标注是1和2的晶面分别称为第一(100)晶面301和第二(100)晶面302，进而设置夹具的固定端面201与定位端面202之间的夹角为125.26°，设置固定端面201相对于水平面的倾斜角为0°、为便于固定体块金刚石300，本实施例将定位端面202设置固定端面201靠近边缘位置处；其次，用激光在第二(100)晶面302或第一(100)晶面打标，以帮助切割后的衬底的晶面和定位边确认；然后，再将体块金刚石300的(111)晶面303固定在固定端面201上、第二(100)晶面302固定在定位端面202上；最后，使激光100沿着水平方向入射到体块金刚石300上，并根据预设衬底厚度要求，将该将体块金刚石300切割为片状的金刚石衬底。
上述实施例采用递进方式描述，不同的实施例之间可以相互参照。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里申请的公开后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种实现金刚石单晶衬底表面取向的方法，其特征在于，包括：
获取体块金刚石的(100)晶面和(111)晶面；
确定衬底的目标表面与所述体块金刚石的(100)晶面或者(111)晶面的夹角；
根据所述夹角，确定夹具的固定端面与定位端面之间的夹角；
根据所述衬底的目标取向，确定所述固定端面相对于水平面的倾斜角、所述定位端面在所述固定端面上的设置位置；
将所述体块金刚石设置在所述夹具上，其中，所述体块金刚石中与所述目标表面相同的表面固定在所述固定端面上、与所述目标表面相邻的(100)晶面或者(111)晶面固定在所述定位端面上；
使激光沿水平方向入射，以将所述体块金刚石切割为片状的衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底的目标表面为(100)晶面、目标取向为(110)偏(100)N°；其中：
确定衬底的目标表面与所述体块金刚石的(100)晶面或者(111)晶面的夹角；根据所述夹角，确定夹具的固定端面与定位端面之间的夹角；根据所述衬底的目标取向，确定所述固定端面相对于水平面的倾斜角、所述定位端面在所述固定端面上的设置位置，包括：
确定衬底的目标(100)晶面与所述体块金刚石的第二(100)晶面的夹角为90°，其中，所述体块金刚石的(100)晶面包括第一(100)晶面和第二(100)晶面，所述第一(100)晶面与所述衬底的目标(100)晶面相平行；
设置夹具的固定端面与定位端面之间的夹角为90°；
根据所述衬底的(110)偏(100)N°的取向，设置所述固定端面相对于水平面的倾斜角为N°、并将所述定位端面设置在所述固定端面的中线最低点处，其中，N大于或等于0且小于90。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述体块金刚石设置在所述夹具上，包括：
将所述体块金刚石的所述第一(100)晶面固定在所述固定端面上、所述第二(100)晶面固定在所述定位端面上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底的目标表面为(100)晶面、目标取向为(100)偏(110)N°；其中：
确定衬底的目标表面与所述体块金刚石的(100)晶面或者(111)晶面的夹角；根据所述夹角，确定夹具的固定端面与定位端面之间的夹角；根据所述衬底的目标取向，确定所述固定端面相对于水平面的倾斜角、所述定位端面在所述固定端面上的设置位置，包括：
确定衬底的目标(100)晶面与所述体块金刚石的第二(100)晶面的夹角为90°，其中，所述体块金刚石的(100)晶面包括第一(100)晶面和第二(100)晶面，所述第一(100)晶面与所述衬底的目标(100)晶面相平行；
设置夹具的固定端面与定位端面之间的夹角为90°；
根据所述衬底的(100)偏(110)N°的取向，设置所述固定端面相对于水平面的倾斜角为N°，将所述定位端面设置在所述固定端面的中线最低点处、所述定位端面与所述固定端面的最高点和最低点连线成45°夹角，其中，N大于或等于0且小于90。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述体块金刚石设置在所述夹具上，包括：
将所述体块金刚石的所述第一(100)晶面固定在所述固定端面上、所述第二(100)晶面固定在所述定位端面上。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底的目标表面为(111)面、目标取向为偏0°；其中：
确定衬底的目标表面与所述体块金刚石的(100)晶面或者(111)晶面的夹角；根据所述夹角，确定夹具的固定端面与定位端面之间的夹角；根据所述衬底的目标取向，确定所述固定端面相对于水平面的倾斜角、所述定位端面在所述固定端面上的设置位置，包括：
确定衬底的目标(111)晶面与所述体块金刚石的(100)晶面的夹角为125.26°；
设置夹具的固定端面与定位端面之间的夹角为125.26°；
根据所述衬底的(0°的取向，设置所述固定端面相对于水平面的倾斜角为0°。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述体块金刚石设置在所述夹具上，包括：
将所述体块金刚石的(111)表面固定在所述固定端面上、所述(100)晶面固定在所述定位端面上。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使激光沿水平方向入射，以将所述体块金刚石切割为片状的衬底之前，所述还包括：
在所述体块金刚石的(100)晶面或(111)晶面进行激光打标，其中，所述体块金刚石中固定在所述固定端面上的表面与进行激光打标的表面不平行。
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