CN114150376A - 一种大尺寸单晶金刚石拼接生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种大尺寸单晶金刚石拼接生长方法属于晶体生长技术领域，首先选取1片(100)取向的单晶金刚石作为衬底模板，在衬底模板表面生长单晶金刚石外延层并切割剥离，重复此操作获得多片晶体取向严格一致的高质量单晶金刚石外延片；研磨、抛光、清洗后放入CVD设备中生长1～4h，以观察样品表面台阶流生长方向；然后将外延片沿台阶流生长方向平行的方式进行排列，作为拼接衬底，在拼接衬底表面生长单晶金刚石外延层，并切割剥离，得到大尺寸高质量单晶金刚石。本发明在拼接缝处晶体的方向一致，拼接缝能够自然平缓的弥合，外延生长的晶体质量无明显退化，同时提高了单晶金刚石拼接生长的尺寸极限。

Description

一种大尺寸单晶金刚石拼接生长方法
技术领域
本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种单晶金刚石材料拼接生长方法，特别涉及一种大尺寸、高质量单晶金刚石的生长方法。
背景技术
金刚石集宽禁带、高导热、高击穿电压、耐高温、抗辐射、高化学稳定性、卓越的光学性能等诸多优异的物理化学性质于一体，在机械加工、电子器件、光学窗口、量子计算机等领域具有广泛的应用前景。单晶金刚石由于具有无晶界、缺陷少等优点，是制备高功率、高频、高温耐压光电子器件的最有前途的材料之一，被誉为终极半导体材料。
目前采用化学气相沉积法制备单晶金刚石的技术逐渐成熟，主要衍生出同质外延(马赛克拼接)和异质外延两种生长方法，但大尺寸、高质量单晶金刚石的制备仍是一个重要的难点。对于同质外延，H.Yamada等通过晶种克隆和马赛克拼接生长，已经获得了2英寸大小的样品(Appl.Phys.Lett.104(2014)102)，但是晶种接缝处晶体质量不佳，而且外延生长的金刚石容易遗传因离子注入导致的辐射缺陷。对于异质外延，M.Schrecka等通过离子轰击诱导掩埋横向生长的方法在Si/YSZ/Ir(001)和SrTiO3/Ir(001)衬底上获得了直径达92mm的单晶金刚石样品，但是缺陷较多，晶体质量与同质外延的样品还有一定差距(Scie.Repo.7(2017)44462)。
目前也报道了一些关于拼接生长大尺寸单晶金刚石的专利，CN108754600A提出将两个籽晶侧面切割成互相平行的斜面进行拼接，CN110184653 A提出在两个籽晶拼接缝处刻槽后进行拼接。这些方法虽然可以实现两个籽晶的拼接生长，但未考虑到两个籽晶的生长方向具有差异的问题，界面位置缺陷密度高，生长的外延层拼接缝处晶体质量仍然较差。因此有必要提出新的方法来制备大尺寸、高质量的单晶金刚石。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种大尺寸高质量单晶金刚石拼接生长的方法，以解决现有金刚石拼接生长过程中拼接缝处外延生长的晶体质量变差的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种大尺寸单晶金刚石拼接生长方法，包括以下步骤：
步骤1，选取1片(100)取向的单晶金刚石作为衬底模板，通过化学气相沉积法在衬底模板表面生长单晶金刚石外延层，然后使用激光切割方法沿生长界面对单晶金刚石衬底模板与外延层进行剥离，获得1片高质量的单晶金刚石外延片，重复此步骤即可获得多片晶体取向严格一致的高质量单晶金刚石外延片；
步骤2，将步骤1所得的多片单晶金刚石外延片同时进行研磨与抛光处理，以降低高度差；
步骤3，将步骤2处理后的单晶金刚石外延片清洗后放入CVD设备中生长1～4h，以观察样品表面台阶流生长方向；
步骤4，将步骤3处理后的单晶金刚石外延片清洗后沿台阶流生长方向平行的方式进行排列，作为拼接衬底，通过化学气相沉积法在拼接衬底表面生长单晶金刚石外延层，然后使用激光切割方法沿生长界面对拼接衬底与外延层进行剥离，得到的外延片即为大尺寸高质量单晶金刚石。
优选的，步骤1中，所述衬底模板为无宏观缺陷，且晶体上下表面与(100)晶面偏离度不超过±2°的单晶金刚石。
优选的，步骤1中，单晶金刚石外延片的厚度控制在0.2～1mm范围内。
优选的，步骤2中，所述抛光要求使得晶体上下表面粗糙度小于50nm，侧面粗糙度小于200nm，高度差小于2μm。
有益效果：
现有技术条件下，单晶金刚石拼接生长时拼接缝处两片晶体的方向不同，外延生长过程中容易滋生多晶或呈现挤压式生长现象，外延生长的晶体质量较差，外延生长的晶体尺寸受到限制；本发明技术方案中拼接缝处两片晶体的方向一致，拼接缝能够自然平缓的弥合，外延生长的晶体质量无明显退化，同时提高了单晶金刚石拼接生长的尺寸极限。
附图说明
图1为本发明实施例的工艺流程图。
图2为本发明实施例的单晶金刚石拼接生长后拼接缝处的光学显微镜图像。
具体实施方式
实施例1
结合实施例进一步描述本发明，并不以任何方式限制本发明，在不背离本发明的技术解决方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。
本发明具体的制备工艺如图1所示，选用1片7mm×7mm无宏观缺陷、晶体上下表面与(100)晶面偏离度不超过±2°的正方形单晶金刚石作为衬底模板，通过化学气相沉积法在衬底模板表面生长单晶金刚石外延层，然后使用激光切割方法沿生长界面对单晶金刚石衬底模板与外延层进行剥离得到厚度0.3mm的外延片。
重复上述步骤，获得4片晶体取向严格一致、厚度相等的正方形单晶金刚石外延片，将4片外延片同时进行研磨与抛光处理，抛光后晶体上下表面粗糙度小于30nm，侧面粗糙度小于200nm，高度差小于2μm。
将抛光后的4片单晶金刚石外延片清洗后放入CVD设备中生长2h，以观察样品表面台阶流生长方向。
将4片单晶金刚石外延片再次清洗后沿台阶流生长方向平行的方式进行排列，外延片之间的缝隙控制在150μm内，作为拼接衬底，通过化学气相沉积法在拼接衬底表面生长单晶金刚石外延层，生长条件为：温度900℃，气压120Torr，H2 400sccm，CH4 20sccm，沉积12h后，改变沉积条件为：温度900℃，气压200Torr，H2 400sccm，CH4 30sccm，继续沉积48h，然后使用激光切割方法沿生长界面对单晶金刚石拼接衬底与外延层进行剥离，获得本发明的大尺寸高质量单晶金刚石外延片。产物尺寸为14mm×14mm×1mm，产物的光学显微镜照片如图2所示，从图2(b)的局部放大图可以看出，本发明的方法制备的大尺寸单晶金刚石在拼接缝处能够自然平缓的弥合，晶体质量无明显退化。

Claims (4)

1.一种大尺寸单晶金刚石拼接生长方法，包括以下步骤：
步骤1，选取1片(100)取向的单晶金刚石作为衬底模板，通过化学气相沉积法在衬底模板表面生长单晶金刚石外延层，然后使用激光切割方法沿生长界面对单晶金刚石衬底模板与外延层进行剥离，获得1片高质量的单晶金刚石外延片，重复此步骤即可获得多片晶体取向严格一致的高质量单晶金刚石外延片；
步骤2，将步骤1所得的多片单晶金刚石外延片同时进行研磨与抛光处理，以降低高度差；
步骤3，将步骤2处理后的单晶金刚石外延片清洗后放入CVD设备中生长1～4h，以观察样品表面台阶流生长方向；
步骤4，将步骤3处理后的单晶金刚石外延片清洗后沿台阶流生长方向平行的方式进行排列，作为拼接衬底，通过化学气相沉积法在拼接衬底表面生长单晶金刚石外延层，然后使用激光切割方法沿生长界面对拼接衬底与外延层进行剥离，得到的外延片即为大尺寸高质量单晶金刚石。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸单晶金刚石拼接生长方法，其特征在于，步骤1中，所述衬底模板为无宏观缺陷，且晶体上下表面与(100)晶面偏离度不超过±2°的单晶金刚石。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸单晶金刚石拼接生长方法，其特征在于，步骤1中，单晶金刚石外延片的厚度控制在0.2～1mm范围内。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸单晶金刚石拼接生长方法，其特征在于，步骤2中，所述抛光处理，使得晶体上下表面粗糙度小于50nm，侧面粗糙度小于200nm，高度差小于2μm。
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