CN113529175A - 衬底及衬底的拼接方法和单晶金刚石的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单晶金刚石技术领域，具体提供一种衬底及衬底的拼接方法和单晶金刚石的制备方法。所述衬底的拼接方法包括以下步骤：提供单晶金刚石籽晶，单晶金刚石籽晶具有底表面和与底表面相背的顶表面；单晶金刚石籽晶具有自底表面至顶表面的第一高度；沿第一高度的等分线切割单晶金刚石籽晶，使单晶金刚石籽晶被切割成具有相同第二高度的多块籽晶；将多块籽晶沿垂直于第二高度的方向进行拼接，且使相互拼接的籽晶之间的晶体取向相同，由此获得衬底。本发明可获得晶体取向相同的衬底，从而有助于节省单晶金刚石的加工工序，提高单晶金刚石的生长效率以及获得大尺寸、高质量的单晶金刚石。

Description

衬底及衬底的拼接方法和单晶金刚石的制备方法

【技术领域】

本发明涉及单晶金刚石技术领域，尤其涉及一种衬底及衬底的拼接方法和单晶金刚石的制备方法。

【背景技术】

目前单晶金刚石的合成通常是采用天然金刚石或者人工合成的单晶金刚石膜片作为籽晶在其原始尺寸上生长，但是由于大尺寸天然金刚石非常稀有且价格昂贵，而人工合成的单晶金刚石本身受到籽晶尺寸的限制，随着金刚石生长层的生长，晶体的顶部表面积逐渐变小，限制了大尺寸单晶金刚石膜片的获得，因此现有方法得到的金刚石的尺寸比较受限。

为获得大尺寸单晶金刚石，现有技术将若干块小尺寸的单晶金刚石籽晶拼接在一起，得到由若干块小尺寸单晶金刚石籽晶拼合而成的衬底，随后在衬底的表面进行同质外延生长，从而得到大尺寸的单晶金刚石。但是，这种拼接生长方法至少存在以下缺陷：

(1)、籽晶的选用难度高、拼接工艺复杂，拼接效果比较差。具体如下：该生长方法要求被拼接的两块籽晶的大小、厚度以及晶体取向完全一致才能生成质量比较好的大尺寸单晶金刚石。然而，不管是自然存在的天然单晶金刚石籽晶还是人工合成的单晶金刚石籽晶，在加工成{100}晶向的片晶后，不同片晶的晶体取向不可能完全一致。为了获得较好的拼接效果，需要将两块不同的籽晶按晶体取向进行拼接，这就需要对多块籽晶的晶体取向作准确的分析标定，然后选择合适的两块籽晶，同时，还需要对选出的两块籽晶的拼接面进行角度的测量和抛光调整，这些都极大地增加了大尺寸单晶金刚石生长工艺的复杂性。

(2)、单晶金刚石生长效率低，获得的单晶金刚石缺陷多。具体如下：由于籽晶选用工艺复杂，使得大尺寸单晶金刚石的加工效率低下；而拼接成的衬底中，只要几块籽晶的晶体取向稍有不同，在生长单晶金刚石层时就极容易在生长层的拼接处留下亚晶界甚至是肉眼可见的缝隙，从而影响大尺寸单晶金刚石的质量。

因此，有必要提供一种新的技术方案以解决现有大尺寸金刚石加工存在的上述技术问题。

【发明内容】

本发明的目的之一在于提供一种衬底及衬底的拼接方法，以解决现有籽晶选用难度高、拼接工艺复杂且拼接效果差而不利于获得大尺寸单晶金刚石等问题。

为实现上述技术目标，采用如下的技术方案：

一种衬底的拼接方法，包括以下步骤：

提供单晶金刚石籽晶，所述单晶金刚石籽晶具有底表面和与所述底表面相背的顶表面；所述单晶金刚石籽晶具有自所述底表面至所述顶表面的第一高度；

沿所述第一高度的等分线切割所述单晶金刚石籽晶，使所述单晶金刚石籽晶被切割成具有相同第二高度的多块籽晶；

将多块所述籽晶沿垂直于所述第二高度的方向进行拼接，且使相互拼接的所述籽晶之间的晶体取向相同，由此获得衬底。

本发明的目的之二在于提供一种衬底，所述衬底由多块籽晶拼接而成，且相互拼接的多块所述籽晶的晶体取向相同；

所述衬底采用上述所述的拼接方法拼接得到。

本发明的目的之三在于提供一种单晶金刚石的制备方法，包括以下步骤：

提供如上所述的衬底；

在所述衬底的一表面上生长单晶金刚石层，获得单晶金刚石。

进一步地，还包括将所述衬底与所述单晶金刚石层进行切割使得所述衬底与所述单晶金刚石层分离的步骤。

本发明的有益效果在于：

与现有技术相比，本发明提供的衬底及衬底的拼接方法和单晶金刚石的制备方法，将一块单晶金刚石籽晶切割成多块等高的籽晶，再将多块籽晶进行拼接并保证相互拼接的多块籽晶间的晶体取向相同，由此可获得晶体取向相同的衬底，并且衬底用于生长单晶金刚石的面积成倍大于一块单晶金刚石籽晶之生长面的面积，该方法获得的衬底可以保证多块籽晶的晶体取向相同，不需要对拼接的籽晶进行晶体取向的精准分析标定和选择，极大地简化了单晶金刚石的加工工序，提高了单晶金刚石的生长效率；更重要地是，由于本发明的多块籽晶来源于同一块单晶金刚石籽晶，相互拼接的多块籽晶的晶体取向的完全一致性，获得的衬底有利于生长并获得大尺寸、高质量的单晶金刚石。

【附图说明】

图1为本发明实施例一提供的衬底的拼接方法的简化流程示意图；

图2为本发明实施例一提供的单晶金刚石的制备方法的简化流程示意图；

图3为本发明实施例一提供的单晶金刚石的制备方法得到的单晶金刚石在衬底拼接界面处的SEM图；

图4为本发明实施例一提供的单晶金刚石的制备方法得到的单晶金刚石在衬底拼接界面处AFM图；

图5为本发明实施例二提供的衬底的拼接方法的简化流程示意图；

图6为本发明实施例三提供的衬底的拼接方法的简化流程示意图；

图7为本发明实施例四提供的衬底的拼接方法的简化流程示意图；

图8为本发明实施例五提供的衬底的拼接方法的简化流程示意图；

图9为本发明实施例六提供的衬底的拼接方法的简化流程示意图；

图10为本发明实施例七提供的衬底的拼接方法的简化流程示意图；

图11为本发明实施例七的衬底的透视示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如图1～图4所示，本实施例提供一种衬底1000及衬底1000的拼接方法和单晶金刚石3000的制备方法。

请参阅图1，该衬底1000的拼接方法包括以下步骤：

S10、提供一块单晶金刚石籽晶100。

该单晶金刚石籽晶100具有底表面1、顶表面2和周向侧表面3，其中，底表面1和顶表面2相背设置，周向侧表面3自底表面1的边缘朝向顶表面2延伸，并与顶表面2的边缘连接；单晶金刚石籽晶100具有自底表面1至顶表面2的第一高度H。

在一实施方式中，周向侧表面3包括第一周向面31、第二周向面32、第三周向面33以及第四周向面34，第一周向面31和第三周向面33相对设置，第二周向面32和第四周向面34均分别自第一周向面31的两相对边缘朝向第三周向面33延伸，并分别与第三周向面33的两相对边缘连接。在一些实施方式中，该单晶金刚石籽晶100的尺寸为1000μm×500μm×300μm，其中长度为1000μm，宽度为500μm，高度(即第一高度H)为300μm。

S11、对单晶金刚石籽晶100的顶表面2进行精磨处理，使得顶表面2与底表面1相互平行，并使得顶表面2的粗糙度降低。

在一些实施方式中，经过精磨处理的顶表面2的粗糙度不大于0.8nm。在一些实施方式中，还包括对底表面1进行精磨处理，同样使得底表面1的粗糙度不大于0.8nm。

S12、对第一周向面31和第三周向面33进行抛光处理，以降低第一周向面31以及第三周向面33的粗糙度。降低第一周向面31和第三周向面22的粗糙度，有利于减小后续拼接获得的衬底1000之两个相互拼接面之间的缝隙。

在一些实施方式中，经过抛光处理的第一周向面31的粗糙度不大于0.8nm。当第一周向面31的粗糙度不大于0.8nm时，能使得相互拼接的两块籽晶紧密的排列在一起，达到理想的拼接效果。

在一些实施方式中，经过抛光处理的第三周向面33的粗糙度不大于0.8nm。当第三周向面33的粗糙度不大于0.8nm时，能使得相互拼接的两块籽晶紧密的排列在一起，达到理想的拼接效果。

在一些实施方式中，抛光处理包括机械抛光、化学抛光、电化学抛光中的至少一种。

在一些实施方式中，不局限于对第一周向面31和第三周向面33进行抛光处理，还包括对第二周向面32、第四周向面34中的至少一者进行抛光处理。

S13、对第一高度H进行等分处理，得到等分线35，该实施例中的等分线35为二等分线351。

具体地，可以在周向侧表面3的任意面上对单晶金刚石籽晶100的第一高度H进行等分处理，并在周向侧表面3的任意面上进行标记处理。在一实施方式中，在第二周向面32上对第一高度H进行二等分处理，还对二等分线351进行标记处理，得到二等分线351和局部覆盖于二等分线351上的标记36，以方便切割和拼接时对各个籽晶进行精准区分。

S14、沿着二等分线351切割单晶金刚石籽晶100，使得单晶金刚石籽晶100被切割成第一籽晶200和第二籽晶300。第一籽晶200和第二籽晶300都具有高度，即两者的高度都为第二高度h(H＝2h)，且第一周向面31被切割成第一侧面311和第二侧面312，第三周向面33被切割成第九侧面331和第十侧面332，其中，第一侧面311以及第九侧面331都位于第一籽晶200上，第二侧面312以及第十侧面332都位于第二籽晶300上；同时，上述标记36被切割成第一标记361和第二标记362，其中，第一标记361位于第一籽晶200上，第二标记362位于第二籽晶300上。

在一些实施方式中，切割得到的第一籽晶200和第二籽晶300都具有切割面，即第一籽晶200具有第一切割面201，第二籽晶300具有第二切割面301，由于切割得到的第一切割面201和第二切割面301不一定平整，因此还可以包括对第一切割面201和第二切割面301进行精磨或者抛光处理的步骤，使得第一切割面201、第二切割面301的粗糙度均不大于0.8nm并且均与底表面1相互平行，经过精磨或者抛光处理后第一籽晶200的高度和第二籽晶300的高度依然相同，从而有利于降低第一籽晶200和第二籽晶300的表面缺陷以及有利于提高第一籽晶200和第二籽晶300相互拼接的效果，同时还有利于在拼接得到的衬底1000的表面进行外延生长。

S15、将第一籽晶200和第二籽晶300沿垂直于第二高度h的方向进行拼接，使相互拼接的第一籽晶200的晶体取向和第二籽晶300的晶体取向相同，由此获得衬底1000。拼接得到的衬底1000的为2000μm×500μm×150μm，其中，2000μm表示长度；500μm表示宽度；150μm表示高度，即第二高度h，亦即拼接得到的衬底1000的高度是单晶金刚石籽晶100高度的二分之一。

具体地，由于第一籽晶200和第二籽晶300是由单晶金刚石籽晶100在第二周向面32上沿着第一高度H的二等分线351进行切割得到，第一籽晶200上的第一侧面311和第二籽晶300上的第二侧面312都朝向同一方向，第一籽晶200上的第九侧面331和第二籽晶300上的第十侧面332也都朝向同一个方向，并且在第一籽晶200中第一侧面311和第九侧面331相背对设置，在第二籽晶300中第二侧面312和第十侧面332相背设置，将第一侧面311和第十侧面332正对贴合，并由此得到衬底1000。得到的衬底1000具有底面和顶面，其中，底面由单晶金刚石籽晶100的底表面1(此时为第一籽晶200的底表面)与第二切割面301拼合而成；顶面由单晶金刚石籽晶100的顶表面2(此时为第二籽晶300的顶表面)与第一切割面201拼合而成；衬底1000的底面至顶面的高度即为第二高度h，单晶金刚石籽晶100的第一高度H是衬底1000的高度的两倍。在一些实施方式中，将第一籽晶200的第二侧面312和第二籽晶300的第九侧面331正对贴合，也可以获得衬底1000。

在一些实施方式中，第一籽晶200和第二籽晶300相互拼接的两个拼接面相互平行且与顶面和/或底面垂直，从而有利于提高拼接效果。

在一些实施方式中，步骤S10～S15得到的衬底1000，第一籽晶200和第二籽晶300相互拼接的部位的缝隙小于5.0nm，从而有利于在衬底1000的顶面或者衬底1000的底面外延生长大尺寸的单晶金刚石，减小大尺寸单晶金刚石在拼接部位的缺陷。

本实施例在获得衬底1000的基础上，进一步提供了一种单晶金刚石3000的制备方法。

请参阅图2，单晶金刚石3000的制备方法包括以下步骤：

在上述得到的衬底1000的顶面上生长单晶金刚石层2000，由此得到单晶金刚石3000。

具体包括以下步骤：

S16、采用微波等离子化学气相沉积法在衬底1000的顶面进行同质外延生长，使得衬底1000的顶面沉积一层单晶金刚石层2000。

具体工艺流程包括：将S15获得的衬底1000放入真空腔室，待本底真空度达到10^{- 4}Pa后，关闭分子泵；通入300sccm的H₂，调节工作气压和微波功率，待工作气压为20kPa、微波功率达到3000W以及样品温度为850℃后，通入30sccm的CH₄，即开始生长单晶金刚石层2000，通过控制金刚石的生长时间和生长速率控制单晶金刚石层2000的生长厚度。

在一些实施方式中，在进行微波等离子化学气相沉积之前，可以对步骤S15得到的衬底1000的顶面进行清洁处理，确保衬底1000的顶面洁净、干燥，以利于提高单晶金刚石层2000的生长质量。

S17、采用激光切割，将衬底1000与单晶金刚石层2000进行分离，得到大尺寸的单晶金刚石3000。

获得的单晶金刚石3000的尺寸为2000μm×500μm×Xμm，其中2000μm表示长度，500μm表示宽度，Xμm表示高度，X可以根据外延生长的时间确定。从此可以看到，获得的单晶金刚石3000的长度比单晶金刚石籽晶100的长度翻倍。

对本实施例获得的单晶金刚石3000进行微观形貌的表征，包括扫描电镜(SEM)表征以及原子力显微镜(AFM)表征，其中，SEM表征得到的结果如图3所示，MN表示第一籽晶200和第二籽晶300相互拼接部位处的形貌；AFM表征得到的结果如图4所示。

从图3可以看出，衬底1000的顶面上生长的单晶金刚石3000的长度确实比单晶金刚石籽晶100的长度翻倍。更重要的是，单晶金刚石3000中，在MN处，即第一籽晶200和第二籽晶300相互拼接的部位的表面上的晶体取向与在第一籽晶200的第一切割面201、第二籽晶300的顶表面(原为单晶金刚石籽晶100的顶表面2)处的晶体取向相同，同时单晶金刚石3000的晶体取向也与第一籽晶200、第二籽晶300的晶体取向相同，相互之间没有明显的过渡，MN处呈现了近乎完美过渡的马赛克(Mosaic)拼接界面显微形貌。

从图4可以看出，获得的单晶金刚石3000，在衬底1000的拼接处连接紧密，界面处无明显裂痕缺陷亦无亚晶界面，有效避免了由不同单晶金刚石籽晶100拼接时，由于晶格不匹配而造成的连接处出现裂痕缺陷等问题。

实施例二

请参阅图1、图2以及图5，本实施例与实施例一的区别在于，实施例一中，至少对第一周向面31和第三周向面33进行抛光处理，同时在第二周向面32上进行标记处理，拼接时，按照第一籽晶200上的第一侧面311和第二籽晶300上的第十侧面332正对贴合得到衬底1000，或者按照第一籽晶200上的第二侧面312和第二籽晶300上的第九侧面331正对贴合得到衬底1000；而在本实施例中，至少对第二周向面32和第四周向面34进行抛光处理，同时，在第一周向面31上进行标记处理，第二周向32被切割成第五侧面321和第六侧面322，第四周向面34被切割成第十三侧面341和第十四侧面342，第五侧面321和第十三侧面341都位于第一籽晶200上，第六侧面322和第十四侧面342都位于第二籽晶300上，然后按照第十三侧面341和第六侧面322正对贴合的方式将第一籽晶200和第二籽晶300进行拼接得到衬底1000，或者按照第五侧面321和第十四侧面342正对贴合的方式将第一籽晶200和第二籽晶300进行拼接得到衬底1000。拼接得到的衬底1000的尺寸为1000μm×1000μm×150μm，其中1000μm表示长度，1000μm表示宽度，150μm表示高度，即第二高度h，即拼接得到的衬底1000的高度是单晶金刚石籽晶100高度的二分之一，而宽度是原来单晶金刚石籽晶100宽度的二倍。

除以上不同之外，其余步骤均可以参照实施例一的步骤进行，在此不再展开赘述。

实施例三

图6为本实施例提供的衬底1000及衬底1000的拼接方法和单晶金刚石的制备方法。

请参阅图6和图1，该衬底1000的拼接方法包括以下步骤：

S30、提供与实施例一相同的单晶金刚石籽晶100，在此不再展开赘述。

S31、与实施例一之步骤S11相同，在此不再展开赘述。

S32、与实施例一之步骤S12相同，在此不再展开赘述。

S33、在第二周向面32或第四周向面34上，将第一高度H进行等分处理，得到等分线35，该实施例中的等分线35为三等分线352，对三等分线352进行标记36处理，得到三等分线352和局部覆盖于三等分线352的标记36。

S34、沿着三等分线352切割单晶金刚石籽晶100，使得单晶金刚石籽晶100被切割成第一籽晶200、第二籽晶300和第三籽晶400，并且切割成的第一籽晶200、第二籽晶300和第三籽晶400都高度，三者的高度都相同，即都为h(第二高度)，且第一周向面31被切割成第一侧面311、第二侧面312和第三侧面313，第三周向面33被切割成第五侧面321、第六侧面322和第七侧面323，其中第一侧面311和第五侧面321位于第一籽晶200上，且第一侧面311和第五侧面321相背对；第二侧面312和第六侧面322位于第二籽晶300上，且第二侧面312和第六侧面322相背对；第三侧面313和第七侧面323位于第三籽晶400上，且第三侧面313和第七侧面323相背对；同时，上述标记36被切割成第一标记361、第二标记362和第三标记363，并且第一标记361位于第一籽晶200上，第二标记362位于第二籽晶300上，第三标记363位于第三籽晶400上。

在一些实施方式中，切割得到的第一籽晶200、第二籽晶300和第三籽晶400都具有切割面，即，第一籽晶200具有第一切割面201，第二籽晶300具有第二切割面301，第三籽晶400具有第三切割面401和第四切割面402。由于切割得到的各个切割面可能不平整，因此在拼接之前还可以包括对第一切割面201、第二切割面301、第三切割面401及第四切割面402进行精磨或者抛光处理的步骤，使得第一切割面201、第二切割面301、第三切割面401及第四切割面402的粗糙度均不大于0.8nm并且均与底表面1相互平行，有利于降低第一籽晶200、第二籽晶300及第三籽晶400的表面缺陷，进而利于拼接和外延生长。

S35、将第一籽晶200、第二籽晶300及第三籽晶400沿垂直于第二高度h的方向进行拼接，使相互拼接的第一籽晶200、第二籽晶300及第三籽晶400三者的晶体取向都相同，由此获得衬底1000。得到的衬底1000的尺寸为3000μm×500μm×100μm，其中3000μm表示长度，500μm表示宽度，100μm表示高度，即第二高度h，H＝3h。

具体地，由于第一籽晶200、第二籽晶300及第三籽晶400是由单晶金刚石籽晶100在第二周向面32上沿着第一高度H的三等分线352切割得到，第一籽晶200上的第一侧面311、第二籽晶300上的第二侧面312以及第三籽晶400的第三侧面313都朝向同一方向；第一籽晶200上的第九侧面331、第二籽晶300上的第十侧面332以及第三籽晶400的第十一侧面333都朝向同一方向，在拼接时，按照第一侧面311与第十一侧面333正对贴合且第三侧面313与第十侧面332正对贴合的方式，将第一籽晶200、第二籽晶300以及第三籽晶400进行拼接，由此得到衬底1000。在一些实施方式中，拼接时，也可以按照第九侧面331与第三侧面313正对贴合且第二侧面312与第十一侧面333正对贴合的方式，将第一籽晶200、第二籽晶300以及第三籽晶400进行拼接，由此得到衬底1000。或者将第一侧面311和第十侧面332正对贴合且第二侧面312和第十一侧面333正对贴合的方式，也可以获得衬底1000。

衬底1000具有底面和顶面，其中，底面由单晶金刚石籽晶100的底表面1、第二切割面301及第四切割面402拼合而成；而顶面则由单晶金刚石籽晶100的顶表面2、第一切割面201及第三切割面401拼合而成。

在一些实施方式中，第一籽晶200和第三籽晶400之间相互拼接的两个拼接面相互平行，并且第二籽晶300和第三籽晶400之间相互拼接的两个拼接面相互平行，并且第一籽晶200和第三籽晶400的拼接面与衬底1000的底面和/或顶面垂直，第三籽晶400和第二籽晶300的拼接面与衬底1000的底面和/或顶面垂直，从而有利于提高拼接效果。

在一些实施方式中，步骤S20～S25得到的衬底1000，第一籽晶200和第三籽晶400相互拼接部位的缝隙小于5.0nm、第二籽晶300和第三籽晶400相互拼接部位的缝隙小于5.0nm，从而有利于在衬底1000的顶面或者衬底1000的底面外延生长大尺寸的单晶金刚石。

本实施例在获得衬底1000的基础上，进一步提供了一种单晶金刚石3000的制备方法，具体可参阅图2，在此不再展开赘述。得到的单晶金刚石3000之尺寸为3000μm×500μm×Xμm，其中3000μm表示长度，500μm表示宽度，X表示高度，X是根据外延生长的时间确定。

实施例四

请参阅图6以及图7，本实施例与实施例三的区别在于，实施例三中，至少对第一周向面31和第三周向面33进行抛光处理，同时在第二周向面32上进行标记处理，拼接时，按照第一侧面311与第十一侧面333正对贴合且第三侧面313与第十侧面332正对贴合的方式，将第一籽晶200、第二籽晶300以及第三籽晶400进行拼接得到衬底1000；或者按照第九侧面331与第三侧面313正对贴合且第二侧面312与第十一侧面333正对贴合的方式等，将第一籽晶200、第二籽晶300以及第三籽晶400进行拼接，由此得到衬底1000；而在本实施例中，至少对第二周向面32和第四周向面34进行抛光处理，同时，在第一周向面31或者第三周向面33上进行标记处理，第二周向32被切割成第五侧面321、第六侧面322和第七侧面323，第四周向面34被切割成第十三侧面341、第十四侧面342和第十五侧面343，第五侧面321和第十三侧面341都位于第一籽晶200上，第六侧面322和第十四侧面342都位于第二籽晶300上，第七侧面323和第十五侧面343都位于第三籽晶400上，然后按照第十三侧面341和第七侧面323正对贴合、第六侧面322与第十五侧面343正对贴合的方式将第一籽晶200、第二籽晶300和第三籽晶400三者进行拼接，得到衬底1000，或者按照第五侧面321和第十五侧面343正对贴合、第十二侧面342和第七侧面323正对贴合的方式将第一籽晶200、第二籽晶300和第三籽晶400三者进行拼接，得到衬底1000。拼接得到的衬底1000的尺寸为1000μm×1500μm×100μm，其中1000μm表示长度，1500μm表示宽度，100μm表示高度，即第二高度h，即拼接得到的衬底1000的高度是单晶金刚石籽晶100高度的三分之一，而宽度是原来单晶金刚石籽晶100宽度的三倍。

除以上不同之外，其余步骤均可以参照实施例三的步骤进行，在此不再展开赘述。

实施例五

本实施例提供一种衬底1000及衬底1000的拼接方法和单晶金刚石的制备方法。

请参阅图8和图1，该衬底1000的拼接方法包括以下步骤：

S50、提供与实施例一相同的单晶金刚石籽晶100，在此不再展开赘述。

S51、与实施例一之步骤S11相同，在此不再展开赘述。

S52、与实施例一之步骤S12相同，在此不再展开赘述。

S53、在第二周向面32或第四周向面34上，将第一高度H进行等分处理，得到等分线35，该实施例中的等分线35为四等分线353，对四等分线353进行标记36处理，得到四等分线353和局部覆盖于四等分线353的标记36。

S54、沿着四等分线353切割单晶金刚石籽晶100，使得单晶金刚石籽晶100被切割成第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400和第四籽晶500，并且切割成的第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400及第四籽晶500都具有高度，四者的高度都相同，即都为h(第二高度)，且第一周向面31被切割成第一侧面311、第二侧面312、第三侧面313和第四侧面314；第三周向面33被切割成第九侧面331、第十侧面332、第十一侧面333和第十二侧面334，其中，第一侧面311和第九侧面331位于第一籽晶200上，且第一侧面311和第九侧面331相背对；第二侧面312和第十侧面332位于第二籽晶300上，且第二侧面312和第十侧面332相背对；第三侧面313和第十一侧面333位于第三籽晶400上，且第三侧面313和第十一侧面333相背对；第四侧面314和第十二侧面334位于第四籽晶500上，且第四侧面314和第十二侧面334相背对；同时上述标记36被切割成第一标记361、第二标记362、第三标记363和第四标记364，并且第一标记361位于第一籽晶200上，第二标记362位于第二籽晶300上，第三标记363位于第三籽晶400上，第四标记364位于第四籽晶500上。

在一些实施方式中，切割得到的第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400和第四籽晶500都具有切割面，即第一籽晶200具有第一切割面201，第二籽晶300具有第二切割面301，第三籽晶400具有第三切割面401和第四切割面402，第四籽晶500具有第五切割面501和第六切割面502。在一些实施方式中，由于可能切割后可能各个切割面不一定非常平整，因此还包括对第一切割面201、第二切割面301、第三切割面401、第四切割面402、第五切割面501及第六切割面502进行精磨或者抛光处理的步骤，使得第一切割面201、第二切割面301、第三切割面401、第四切割面402、第五切割面501及第六切割面502的粗糙度均不大于0.8nm并且均与底表面1相互平行，有利于降低第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400及第四籽晶500的表面缺陷，进而利于拼接和外延生长。

S55、将第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400及第四籽晶500沿垂直于第二高度h的方向进行拼接，使相互拼接的第一籽晶200的晶体取向、第二籽晶300的晶体取向、第三籽晶400的晶体取向及第四籽晶500的晶体取向都相同，由此获得衬底1000。衬底1000的尺寸为4000μm×500μm×75μm，其中4000μm表示长度，500μm表示宽度，75μm表示高度，即第二高度h，H＝4h。

具体地，由于第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400及第四籽晶500是由单晶金刚石籽晶100在第二周向面32上沿着第一高度H的四等分线353进行切割得到，第一籽晶200上的第一侧面311、第二籽晶300上的第二侧面312、第三籽晶400的第三侧面313以及第四籽晶500的第四侧面314都朝向同一方向；第一籽晶200上的第九侧面331、第二籽晶300上的第十侧面332、第三籽晶400的第十一侧面333以及第四籽晶500的第十二侧面334都朝向同一方向，在拼接时，按照第一侧面311和第十二侧面334正对贴合、第四侧面314和第十一侧面333正对贴合、第三侧面313和第十侧面332正对贴合的方式，将第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400和第四籽晶500四者进行拼接，由此得到衬底1000。在一些实施方式中，在拼接时，也可以按照第九侧面331与第四侧面314正对贴合、第十二侧面334和第三侧面313正对贴合以及第十侧面333和第二侧面312正对贴合的方式，将第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400以及第四籽晶500四者进行拼接，由此得到衬底1000。或者按照第九侧面331与第三侧面313正对贴合、第十一侧面333和第四侧面314正对贴合以及第十二侧面334和第二侧面312正对贴合的方式，将第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400以及第四籽晶500四者进行拼接，由此得到衬底1000。当然不局限于这几种拼接方式，也可以是其他能够将第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400以及第四籽晶500四者进行拼接得到晶体取向一致的衬底1000均可行。

衬底1000具有底面和顶面，其中，底面由单晶金刚石籽晶100的底表面1(此时为第一籽晶200的底表面)、第二切割面301、第四切割面402及第六切割面502拼合而成；衬底1000的顶面由第一切割面201、第五切割面501、第三切割面401及单晶金刚石籽晶100的顶表面2(此时为第二籽晶300的顶表面)拼合而成。

在一些实施方式中，第一籽晶200和第四籽晶500之间相互拼接的两个拼接面相互平行、第二籽晶300和第三籽晶400之间相互拼接的两个拼接面相互平行、第三籽晶400和第四籽晶500之间相互拼接的两个拼接面，且所有的拼接面都与衬底1000的底面垂直，从而有利于提高拼接效果。

在一些实施方式中，步骤S30～S35得到的衬底1000，第一籽晶200和第四籽晶500相互拼接部位的缝隙小于5.0nm、第二籽晶300和第三籽晶400相互拼接部位的缝隙小于5.0nm、第三籽晶400和第四籽晶500相互拼接部位的缝隙小于5.0nm，从而有利于在衬底1000的顶面或者衬底1000的底面外延生长大尺寸单晶金刚石，减小大尺寸单晶金刚石在拼接部位的缺陷。

本实施例在获得衬底1000的基础上，进一步提供了一种单晶金刚石的制备方法，具体可参阅图2，在此不再展开赘述。得到的单晶金刚石3000之尺寸为4000μm×500μm×Xμm，其中4000μm表示长度，500μm表示宽度，X表示高度，X是根据外延生长的时间确定。

实施例六

请参阅图9以及图8，本实施例与实施例五的区别在于，实施例五中，至少对第一周向面31和第三周向面33进行抛光处理，同时在第二周向面32上进行标记处理，拼接时，按照第一侧面311和第十二侧面334正对贴合、第四侧面314和第十一侧面333正对贴合以及第三侧面313和第十侧面332正对贴合的方式，或者按照第九侧面331与第四侧面314正对贴合、第十二侧面334和第三侧面313正对贴合以及第十侧面333和第二侧面312正对贴合的方式等，将第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400和第四籽晶500四者进行拼接；而在本实施例中，至少对第二周向面32和第四周向面34进行抛光处理，同时，在第一周向面31或者第三周向面33上进行标记处理，第二周向32被切割成第五侧面321、第六侧面322、第七侧面323和第八侧面324，第四周向面34被切割成第十三侧面341、第十四侧面342、第十五侧面343和第十六侧面344，第五侧面321和第十三侧面341都位于第一籽晶200上，第六侧面322和第十四侧面342都位于第二籽晶300上，第七侧面323和第十五侧面343都位于第三籽晶400上，第八侧面324和第十六侧面344都位于第四籽晶500上。拼接时，按照第十三侧面341和第八侧面324正对贴合、第十六侧面344与第七侧面323正对贴合、第十五侧面343与第六侧面322正对贴合的方式将第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400和第四籽晶500四者进行拼接，得到衬底1000。当然，也可以按照其他排列组合的方式将第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400和第四籽晶500四者进行拼接得到衬底1000，只要确保衬底1000的晶体取向一致且拼接得到的衬底1000的尺寸为1000μm×2000μm×75μm都可行。衬底1000中，1000μm表示长度，2000μm表示宽度，75μm表示高度，即第二高度h，即拼接得到的衬底1000的高度是单晶金刚石籽晶100高度的四分之一，而宽度是原来单晶金刚石籽晶100宽度的四倍。

除以上不同之外，其余步骤均可以参照实施例五的步骤进行，在此不再展开赘述。

实施例七

如图10至图11所示，本实施例提供一种衬底1000及衬底1000的拼接方法和单晶金刚石的制备方法。

请参阅图10、图1和图8，该衬底1000的拼接方法包括以下步骤：

S70、提供与实施例一相同的单晶金刚石籽晶100，在此不再展开赘述。

S71、与实施例一之步骤S11相同，在此不再展开赘述。

S72、对第一周向面31、第二周向面32、第三周向面33以及第四周向面34进行抛光处理，以降低第一周向面31、第二周向面32、第三周向面33以及第四周向面34的粗糙度，具体与实施例一的步骤S12相同，在此不再展开赘述。

S73、对第一高度H进行四等分处理，具体与实施例五之步骤S53相同，在此不再展开赘述。

S74、切割单晶金刚石籽晶100，具体与实施例五之步骤S54相同，在此不再展开赘述。

S75、将第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400及第四籽晶500沿垂直于第二高度h的方向进行拼接，使相互拼接的第一籽晶200的晶体取向、第二籽晶300的晶体取向、第三籽晶400的晶体取向及第四籽晶500的晶体取向都相同，由此获得衬底1000。衬底1000的尺寸为2000μm×1000μm×75μm，其中2000μm表示长度，1000μm表示宽度，75μm表示高度，即第二高度h，H＝4h。

具体地，由于第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400及第四籽晶500是由单晶金刚石籽晶100在第二周向面32上沿着第一高度H的四等分线353进行切割得到，第一籽晶200上的第一侧面311、第二籽晶300上的第二侧面312、第三籽晶400的第三侧面313以及第四籽晶500的第四侧面314都朝向同一方向；第一籽晶200上的第五侧面321、第二籽晶300上的第六侧面322、第三籽晶400的第七侧面323以及第四籽晶500的第八侧面324都朝向同一方向；第一籽晶200上的第九侧面331、第二籽晶300上的第十侧面332、第三籽晶400上的第十一侧面333以及第四籽晶500上的第十二侧面334都朝向同一方向；第一籽晶200上的第十三侧面341、第二籽晶300上的第十四侧面342、第三籽晶400上的第十五侧面343以及第四籽晶500上的第十六侧面344都朝向同一方向；在拼接时，按照第一侧面311和第十二侧面334正对贴合、第三侧面313和第十侧面332正对贴合、第十三侧面341和第六侧面322正对贴合以及第十六侧面344和第七侧面323正对贴合的方式进行拼接，由此得到衬底1000。得到的衬底1000具有底面和顶面，其中，底面由单晶金刚石籽晶100的底表面1(此时为第一籽晶200的底表面)、第二切割面301、第四切割面402以及第六切割面502拼合而成；衬底1000的顶面由第一切割面201、单晶金刚石籽晶100的顶表面2(此时为第二籽晶300的顶表面)、第三切割面401及第五切割面501拼合而成，衬底1000的顶面至衬底1000的底面的高度即为第二高度h。

图11显示了获得的衬底1000的透视图，从图11可以看出，第一标记361和第四标记364位于衬底1000的同一外侧面，而第二标记362和第三标记363位于衬底1000的拼合面上。

在一些实施方式中，第一籽晶200和第四籽晶500之间相互拼接的两个拼接面相互平行、第二籽晶300和第三籽晶400之间相互拼接的两个拼接面相互平行、第一籽晶200和第二籽晶300的两个拼接面相互平行、第三籽晶400和第四籽晶500的两个拼接面，且所有的拼接面都与衬底1000的底面垂直，从而有利于提高拼接效果。

在一些实施方式中，步骤S40～S45得到的衬底1000，第一籽晶200和第四籽晶500相互拼接部位的缝隙小于5.0nm，第二籽晶300和第三籽晶400相互拼接部位的缝隙小于5.0nm，第一籽晶200和第二籽晶300相互拼接部位的缝隙小于5.0nm，同时第三籽晶400和第四籽晶500相互拼接部位的缝隙小于5.0nm，从而有利于在衬底1000的顶面或者衬底1000的底面外延生长大尺寸单晶金刚石。当然，本实施例中不局限于这种拼接方式，也可以是其他能够将第一籽晶200、第二籽晶300、第三籽晶400以及第四籽晶500四者进行拼接得到晶体取向一致的衬底1000均可行。

本实施例在获得衬底1000的基础上，进一步提供了一种单晶金刚石的制备方法，具体可参阅图2，在此不再展开赘述。得到的单晶金刚石3000之尺寸为2000μm×1000μm×Xμm，其中2000μm表示长度，1000μm表示宽度，X表示高度，X是根据外延生长的时间确定。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种衬底的拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供单晶金刚石籽晶，所述单晶金刚石籽晶具有底表面和与所述底表面相背的顶表面；所述单晶金刚石籽晶具有自所述底表面至所述顶表面的第一高度；

沿所述第一高度的等分线切割所述单晶金刚石籽晶，使所述单晶金刚石籽晶被切割成具有相同第二高度的多块籽晶；

将多块所述籽晶沿垂直于所述第二高度的方向进行拼接，且使相互拼接的所述籽晶之间的晶体取向相同，由此获得衬底。

2.根据权利要求1所述的衬底的拼接方法，其特征在于，所述单晶金刚石籽晶还包括自所述底表面的边缘朝向所述顶表面延伸并与所述顶表面的边缘连接的周向侧表面；

在所述切割前还包括降低所述周向侧表面之粗糙度的步骤，且沿所述第一高度的二等分线进行切割；

或者，在所述切割前还包括降低所述周向侧表面之粗糙度的步骤，且沿所述第一高度的三等分线进行切割；

或者，在所述切割前还包括降低所述周向侧表面之粗糙度的步骤，且沿所述第一高度的四等分线进行切割。

3.根据权利要求2所述的衬底的拼接方法，其特征在于，相互拼接的两块所述籽晶之两个拼接面相互平行，且两个所述拼接面的粗糙度都不大于0.8nm。

4.根据权利要求2所述的衬底的拼接方法，其特征在于，相互拼接的两块所述籽晶之间的缝隙小于5.0nm。

5.根据权利要求1至4任一项所述的衬底的拼接方法，其特征在于，获得的多块所述籽晶具有切割面，在所述拼接前还包括降低所述切割面的粗糙度的步骤。

6.根据权利要求1至4任一项所述的衬底的拼接方法，其特征在于，还包括对所述顶表面以及多块所述籽晶的切割面进行精磨处理以使所述顶表面、所述切割面与所述底表面平行的步骤。

7.一种衬底，其特征在于，所述衬底由多块籽晶拼接而成，且相互拼接的多块所述籽晶的晶体取向相同；

所述衬底采用权利要求1至6任一项所述的拼接方法拼接得到。

8.如权利要求7所述的衬底，其特征在于，所述衬底中，相互拼接的相邻两个所述籽晶之间的缝隙小于5.0nm。

9.一种单晶金刚石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供如权利要求7至8任一项所述的衬底；

所述衬底具有顶面，在所述顶面上生长单晶金刚石层，获得单晶金刚石。

10.如权利要求9所述的单晶金刚石的制备方法，其特征在于，还包括分离所述衬底与所述单晶金刚石层的步骤。

Images