CN111778553A - 用于提升cvd单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法 - Google Patents

用于提升cvd单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法 Download PDF

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朱嘉琦
李一村
代兵
曹康丽
裴佩
郝晓斌
舒国阳
赵继文
张森
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/186—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being specially pre-treated by, e.g. chemical or physical means

Abstract

用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，本发明属于金刚石制备领域，它为了解决现有籽晶预处理方式难以处理籽晶内部原有缺陷及内应力的问题。等离子体退火方法：一、采用激光切割将目标籽晶沿厚度方向切割成两片籽晶，对目标籽晶的激光切割面进行抛光处理；二、籽晶放入MPCVD金刚石生长设备中，抽真空，向腔体内通入氢气并点燃等离子体进行等离子体退火处理；三、依次重复切割抛光处理以及等离子体退火处理多次，得到高品质薄籽晶。本发明通过减薄籽晶与等离子体退火交替反复进行，能够有效降低籽晶内部原有缺陷密度，并不断释放内应力，且能够将一块品质一般的较厚籽晶，处理得到若干品质较优的薄籽晶。

Description

用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火 方法
技术领域
本发明属于金刚石制备领域，具体涉及一种用于提升CVD单晶金刚石外延层质量的籽晶预处理方法。
背景技术
金刚石由于其独特的晶体结构而具有一系列优异的材料性能，包括极高的硬度和弹性模量、极高的室温热导率、相对宽的禁带和电磁波透过范围、极佳的介电和绝缘性能、良好的化学稳定性等，使其具有广阔的工业应用前景。
微波等离子体化学气相沉积技术(MPCVD)被认为是人工合成大尺寸、高品质单晶金刚石的理想方法之一，而其制备的CVD单晶金刚石外延层的质量很大程度上依赖于籽晶或衬底金刚石的质量，MPCVD单晶金刚石同质外延生长的籽晶一般选择高温高压(HTHP)金刚石或CVD金刚石，其籽晶中原有的晶体缺陷(例如位错等)会延伸至外延生长层中，同时籽晶本身过大的内应力在生长过程中易导致籽晶及外延晶体崩碎，从而降低外延金刚石的晶体质量或导致制备失败，因而籽晶的预处理手段选择将极为重要。一般的籽晶预处理目标是减少籽晶表面由于抛光引入的表层新缺陷及界面杂质，不能很好的处理籽晶内部原有缺陷及内应力。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有籽晶预处理方式难以处理籽晶内部原有缺陷及内应力的问题，而提供一种用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，促使籽晶内部原有缺陷湮灭、释放内应力，从而提高籽晶品质。
本发明用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法按照以下步骤实现：
一、采用激光切割将目标籽晶沿厚度方向切割成两片籽晶，对减薄籽晶的激光切割面进行抛光处理，使激光切割面的粗糙度达到Ra值5nm以下，完成籽晶的切割抛光处理；
二、将切割抛光处理后的籽晶放入MPCVD金刚石生长设备中，抽真空至1×10-5mbar以下，向生长设备的腔体内通入氢气并点燃等离子体，提高微波功率及舱内气压，当籽晶表面温度达到1000-1400℃时进行等离子体退火处理，根据当前籽晶厚度确定退火时间，设籽晶厚度为d时，厚度单位为mm，维持等离子体退火时间t(min)＝78～82d，其中退火时间的单位为min，降温并取出，完成籽晶的等离子体退火处理；
三、将取出的籽晶依次重复步骤一的切割抛光处理以及等离子体退火处理多次，得到高品质薄籽晶。
本发明通过减薄籽晶与等离子体退火交替反复进行，能够有效降低籽晶内部原有缺陷密度，并不断释放内应力，且能够将一块品质一般的较厚籽晶，处理得到若干品质较优的薄籽晶，提高品质的同时也增加了可用籽晶的数量，不影响后续单晶金刚石的外延生长。
附图说明
图1为实施例中初始厚度为1.2mm的目标籽晶经过不断减薄处理后的籽晶图片；
图2为厚度0.4mm籽晶进行等离子体退火处理(温度1200℃)的图片；
图3为实施例中不同处理阶段得到的籽晶样品的偏光显微镜图像。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法按照以下步骤实施：
一、采用激光切割将目标籽晶沿厚度方向切割成两片籽晶，对减薄籽晶的激光切割面进行抛光处理，使激光切割面的粗糙度达到Ra值5nm以下，完成籽晶的切割抛光处理；
二、将切割抛光处理后的籽晶放入MPCVD金刚石生长设备中，抽真空至1×10-5mbar以下，向生长设备的腔体内通入氢气并点燃等离子体，提高微波功率及舱内气压，测试籽晶表面温度达到1000～1400℃时进行等离子体退火处理，根据当前籽晶厚度确定退火时间，设籽晶厚度为d时，厚度单位为mm，维持等离子体退火时间t(min)＝78～82d，其中退火时间的单位为min，降温并取出，完成籽晶的等离子体退火处理；
三、将取出的籽晶依次重复步骤一的切割抛光处理以及等离子体退火处理多次，得到高品质薄籽晶。
本实施方式通过对籽晶进行反复减薄、等离子体退火，来促使籽晶内部缺陷湮灭，内应力不断释放，以达到提高品质的效果。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述的抛光处理采用化学机械抛光方式或者摩擦机械抛光方式。
本实施方式中化学机械抛光是采用氧化剂和磨料，将金刚石表面形成的氧化层磨去抛光。摩擦机械抛光是采用高速旋转的过渡金属材料抛光盘，瞬时高温催化金刚石表面石墨化，并溶解石墨去除。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中抽真空至5×10-6mbar。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中通入氢气并点燃等离子体，此时控制腔体内氢气的流量是300～400sccm。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中等离子体退火处理过程中控制微波功率为3500～4000W。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是生长设备的腔体内气压为220～280mbar。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二中保持籽晶表面温度为1200～1400℃进行等离子体退火处理。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中维持等离子体退火时间t(min)＝80d。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中依次重复步骤一的切割抛光处理以及等离子体退火处理2～4次。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤三得到的高品质薄籽晶的厚度为0.1～0.2mm。
实施例：本实施例用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法按照以下步骤实施：
一、采用激光切割将初始厚度为1.2mm的目标籽晶(CVD籽晶)沿厚度方向等分成两半，对减薄籽晶的激光切割面进行抛光处理，使激光切割面的粗糙度Ra为3nm，完成籽晶的切割抛光处理；
二、将切割抛光处理后的籽晶放入MPCVD金刚石生长设备中，抽真空至5×10- 6mbar，向生长设备的腔体内通入氢气并点燃等离子体，控制氢气流量为350sccm，微波功率为3200W，腔体内气压为240mbar，测试籽晶表面温度达到1200℃时进行等离子体退火处理，根据当前籽晶厚度确定退火时间，设籽晶厚度为d时，厚度单位为mm，维持等离子体退火时间t(min)＝80d，其中退火时间的单位为min，降温并取出，完成籽晶的等离子体退火处理；
三、将取出的籽晶依次重复步骤一的切割抛光处理以及等离子体退火处理多次，得到厚度为0.15mm的高品质薄籽晶。
金刚石中缺陷一般为位错，位错在一定热力学条件下具有一个最小维持长度，随着籽晶的减薄，及在高温氢等离子体环境下，缩短的位错将更容易发生反应湮灭，且由于减薄而产生的位错表面露头，将被氢等离子体刻蚀掉；另外，随着籽晶的减薄及退火，由于晶格畸变产生的内应力也得到了一步步释放。
本实施例不同处理阶段得到的籽晶样品的偏光显微镜图像如图3所示，图3中从左至右不同处理阶段时籽晶的厚度依次为1.2mm，0.7mm，0.55mm，0.3mm，0.15mm，可以看到亮度不断降低，说明缺陷及应力不断减少。

Claims (10)

1.用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，其特征在于该连续减薄等离子体退火方法按照以下步骤实现：
一、采用激光切割将目标籽晶沿厚度方向切割成两片籽晶，对减薄籽晶的激光切割面进行抛光处理，使激光切割面的粗糙度达到Ra值5nm以下，完成籽晶的切割抛光处理；
二、将切割抛光处理后的籽晶放入MPCVD金刚石生长设备中，抽真空至1×10-5mbar以下，向生长设备的腔体内通入氢气并点燃等离子体，提高微波功率及舱内气压，当籽晶表面温度达到1000-1400℃时进行等离子体退火处理，根据当前籽晶厚度确定退火时间，设籽晶厚度为d时，厚度单位为mm，维持等离子体退火时间t＝78～82d，其中退火时间的单位为min，降温并取出，完成籽晶的等离子体退火处理；
三、将取出的籽晶依次重复步骤一的切割抛光处理以及等离子体退火处理多次，得到高品质薄籽晶。
2.根据权利要求1所述的用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，其特征在于步骤一中所述的抛光处理采用化学机械抛光方式或者摩擦机械抛光方式。
3.根据权利要求1所述的用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，其特征在于步骤二中抽真空至5×10-6mbar。
4.根据权利要求1所述的用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，其特征在于步骤二中通入氢气并点燃等离子体，此时控制腔体内氢气的流量是300～400sccm。
5.根据权利要求1所述的用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，其特征在于步骤二中等离子体退火处理过程中控制微波功率为3500～4000W。
6.根据权利要求5所述的用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，其特征在于生长设备的腔体内气压为220～280mbar。
7.根据权利要求1所述的用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，其特征在于步骤二中保持籽晶表面温度为1200～1400℃进行等离子体退火处理。
8.根据权利要求1所述的用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，其特征在于步骤二中维持等离子体退火时间t＝80d。
9.根据权利要求1所述的用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，其特征在于步骤三中依次重复步骤一的切割抛光处理以及等离子体退火处理2～4次。
10.根据权利要求1所述的用于提升CVD单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法，其特征在于步骤三得到的高品质薄籽晶的厚度为0.1～0.2mm。
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