CN114318527A - 一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法 - Google Patents

一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114318527A
CN114318527A CN202111645882.3A CN202111645882A CN114318527A CN 114318527 A CN114318527 A CN 114318527A CN 202111645882 A CN202111645882 A CN 202111645882A CN 114318527 A CN114318527 A CN 114318527A
Authority
CN
China
Prior art keywords
diamond
growth
substrate
mask
photoresist
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111645882.3A
Other languages
English (en)
Inventor
邹广田
李根壮
吕宪义
王启亮
李柳暗
谢文良
林旺
董成威
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SHENZHEN RESEARCH INSTITUTE OF JILIN UNIVERSITY
Jilin University
Original Assignee
SHENZHEN RESEARCH INSTITUTE OF JILIN UNIVERSITY
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SHENZHEN RESEARCH INSTITUTE OF JILIN UNIVERSITY, Jilin University filed Critical SHENZHEN RESEARCH INSTITUTE OF JILIN UNIVERSITY
Priority to CN202111645882.3A priority Critical patent/CN114318527A/zh
Publication of CN114318527A publication Critical patent/CN114318527A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明的一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法属于晶体生长技术领域,步骤包括在单晶金刚石作为衬底旋涂光刻胶,设计的掩膜图形,沉积掩膜材料,去除光刻胶,沉积生长金刚石外延层,浸泡剥离等。本发明技术方案中外延生长的单晶金刚石膜在冷却过程中由于应力的差异而自然剥离,外延生长的晶体质量高,材料损耗小,且不受材料尺寸限制。

Description

一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法
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膜剥离方法,特别涉及一种大尺寸高质量单晶金刚石膜的剥离方法。
背景技术
金刚石在室温下的禁带间隙为5.47eV,被称为宽禁带半导体,具有极高的介电强度、电子迁移率、空穴迁移率、饱和电子速度,可进行高压操作,适用于各类高速设备。此外,金刚石具有已知材料中最高的热导率,热辐射性能良好。与Si和GaN等半导体相比,金刚石的品质因数最高,被认为是未来高功率器件的最有前途的候选材料之一,因此被誉为“终极半导体”。
制备金刚石基半导体器件,就需要具有晶圆级的单晶金刚石膜。化学气相沉积法被认为是制备大尺寸、高质量单晶金刚石最有前途的技术,并衍生出同质外延(马赛克拼接)和异质外延两种生长方法。对于同质外延,日本学者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)。对于异质外延,德国学者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(Scie.Repo.7(2017)44462)。
目前面临着一个重要的难题,即大尺寸外延单晶金刚石膜与衬底间的剥离问题。目前,脉冲激光切割法是剥离外延单晶金刚石膜与衬底的最常用的方法,然而脉冲激光切割法存在着其固有的缺陷,随着金刚石尺寸的扩大,切割深度增加,切割缝会逐渐变宽,材料损耗大幅度增加。基于水射流引导的激光切割技术可以有效减少切割缝宽度的同时增加切割深度,但是这项技术的极限切割尺寸仍然有限,无法成为2英寸级以上单晶金刚石晶圆的有效剥离方法。在另一种方法中,通过离子注入在单晶金刚石亚表面制造牺牲层,以此达到外延金刚石膜与衬底完整剥离的目的。但离子注入设备昂贵、工艺复杂,且外延生长的金刚石膜容易遗传因离子注入导致的辐射缺陷,降低金刚石质量。因此,寻求一种低损耗的高质量单晶金刚石膜的剥离方法十分关键。
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膜的剥离方法,以解决现有剥离技术中金刚石损耗大、质量降低的问题。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法,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,抛光、清洗后用旋涂的方法在衬底表面添加一层1~10μm厚的光刻胶,然后在光刻机中将设计的掩膜图形曝光转移到金刚石衬底上;设计的掩膜图形为开放窗口与保留的光刻胶组成的周期性图形,所述的开放窗口是曝光时去除光刻胶的区域;
步骤2,在经过步骤1处理后的金刚石衬底上沉积一层掩膜材料,然后使用有机溶剂去除金刚石衬底上的光刻胶,沉积在光刻胶上的掩膜材料也将被一起除去,获得具有图形化掩模的金刚石衬底;所述的掩膜材料是金刚石成核密度较低或者无法成核的材料;
步骤3,将经过步骤2处理后的金刚石衬底进一步清洗后转移到CVD设备中进行金刚石的沉积生长,生长后降至室温,由于金刚石在掩膜材料表面成核密度较低或者无法成核,在无掩膜材料区域的金刚石同质外延生长过程中横向生长的金刚石将会跨过掩膜材料生长在一起,形成完整的单晶金刚石膜,由于金刚石和掩膜材料的热膨胀系数具有显著差异,在生长结束后的降温过程中,掩模区和开放窗口区将会产生巨大的压应力和拉应力,在室温下,这些高应力区域很容易裂开,从而实现外延金刚石膜的轻松剥离。
步骤4,将生长后的样品浸泡到能够溶解步骤2中所沉积的掩膜材料但不损伤光刻胶的溶液中1~10h,实现同质外延单晶金刚石膜和原始的单晶金刚石衬底的剥离。
进一步地,步骤1中,所述掩膜图形为网格状图案,每个开放窗口是边长1μm-80μm的正方形,开放窗口的填充因子控制在20%~90%范围内,所述的填充因子为开放窗口的面积与衬底生长面的总面积比值。
进一步地,步骤2中,沉积掩膜材料时使用磁控溅射、电子束蒸发、等离子体增强化学气相沉积等方法,所述的有机溶剂优选丙酮,所述的掩膜材料优选Au、SiO2、Mo、Al2O3,掩膜材料的厚度优选50nm~800nm。
进一步地,步骤3中,所述金刚石的沉积生长,生长过程分为两个阶段,第一个阶段采用高微波功率、低生长气压以促进外延金刚石膜的横向生长,所述微波功率为3~6kW,生长气压为80~160torr,氢气流量为300~800sccm,甲烷浓度在2~8%之间,生长温度为800-1000℃;第二个阶段采用高微波功率、高生长气压以促进外延金刚石膜的高速高质量生长,所述微波功率为3~6kW,生长气压为160~300torr,氢气流量为300~800sccm,甲烷浓度在2~8%之间,生长温度为850-1100℃。
有益效果:
现有技术条件下,外延生长的单晶金刚石膜剥离时存在材料损耗大、剥离尺寸有限、外延晶体质量降低的问题;本发明技术方案中外延生长的单晶金刚石膜在冷却过程中由于应力的差异而自然剥离,外延生长的晶体质量高,材料损耗小,且不受材料尺寸限制。
附图说明
图1为本发明实施例1剥离单晶金刚石膜的工艺流程图。
具体实施方式
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。
实施例1
(1)将经过简单抛光及丙酮、乙醇清洗预处理后的单晶金刚石衬底表面旋涂一层1μm厚的光刻胶;(2)在光刻机中将开放窗口宽度为20μm,填充因子为80%的掩膜图形曝光转移到涂有光刻胶的单晶金刚石衬底上;(3)将具有光刻胶图形的单晶金刚石衬底转移到磁控溅射腔体中加热至150℃,并在其表面沉积一层厚度为400nm的Au薄膜。(4)使用丙酮等有机溶剂去除金刚石衬底上的光刻胶,沉积在光刻胶上的Au薄膜也将被一起除去,获得具有图形化Au掩模的金刚石衬底。(5)采用微波等离子体化学气相沉积法在具有图形化Au掩模的金刚石衬底表面进行单晶金刚石的同质外延生长,控制第一个生长阶段的微波功率为5kW,生长气压为120torr,氢气流量为400sccm,甲烷浓度为5%,生长温度为900℃,生长12h后进入到第二个生长阶段,控制第二个生长阶段的微波功率为4.5kW,生长气压为200torr,氢气流量为400sccm,甲烷浓度为8%,生长温度为950℃,继续生长24h,冷却至室温后取出;(6)将生长后的样品浸泡到王水中2h,实现独立的同质外延单晶金刚石膜和原始的单晶金刚石衬底之间的完全剥离。本实施例的工艺流程如图1所示。
实施例2
(1)将经过简单抛光及丙酮、乙醇清洗预处理后的单晶金刚石衬底表面旋涂一层1.5μm厚的光刻胶;(2)在光刻机中将开放窗口宽度为20μm,填充因子为50%的掩膜图形曝光转移到涂有光刻胶的单晶金刚石衬底上;(3)将具有光刻胶图形的单晶金刚石衬底转移到磁控溅射腔体中加热至150℃,并在其表面沉积一层厚度为300nm的金属Mo薄膜。(4)使用丙酮等有机溶剂去除金刚石衬底上的光刻胶,沉积在光刻胶上的Mo薄膜也将被一起除去,获得具有图形化Mo掩模的金刚石衬底。(5)采用微波等离子体化学气相沉积法在具有图形化Mo掩模的金刚石衬底表面进行单晶金刚石的同质外延生长,控制第一个生长阶段的微波功率为5kW,生长气压为120torr,氢气流量为400sccm,甲烷浓度为5%,生长温度为900℃,生长10h后进入到第二个生长阶段,控制第二个生长阶段的微波功率为4.5kW,生长气压为260torr,氢气流量为400sccm,甲烷浓度为8%,生长温度为950℃,继续生长20h,冷却至室温后取出;(6)将生长后的样品浸泡到HF溶液中8h,实现独立的同质外延单晶金刚石膜和原始的单晶金刚石衬底之间的完全剥离。
实施例3
(1)将经过简单抛光及丙酮、乙醇清洗预处理后的单晶金刚石衬底表面旋涂一层1.5μm厚的光刻胶;(2)在光刻机中将开放窗口宽度为20μm,填充因子为40%的掩膜图形曝光转移到涂有光刻胶的单晶金刚石衬底上;(3)将具有光刻胶图形的单晶金刚石衬底转移到磁控溅射腔体中加热至150℃,并在其表面沉积一层厚度为200nm的SiO2薄膜。(4)使用丙酮等有机溶剂去除金刚石衬底上的光刻胶,沉积在光刻胶上的SiO2薄膜也将被一起除去,获得具有图形化SiO2掩模的金刚石衬底。(5)采用微波等离子体化学气相沉积法在具有图形化SiO2掩模的金刚石衬底表面进行单晶金刚石的同质外延生长,控制第一个生长阶段的微波功率为5kW,生长气压为120torr,氢气流量为400sccm,甲烷浓度为5%,生长温度为900℃,生长10h后进入到第二个生长阶段,控制第二个生长阶段的微波功率为4.5kW,生长气压为200torr,氢气流量为400sccm,甲烷浓度为8%,生长温度为950℃,继续生长20h,冷却至室温后取出;(6)将生长后的样品浸泡到王水中8h,实现独立的同质外延单晶金刚石膜和原始的单晶金刚石衬底之间的完全剥离。

Claims (4)

1.一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法,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,抛光、清洗后用旋涂的方法在衬底表面添加一层1~10μm厚的光刻胶,然后在光刻机中将设计的掩膜图形曝光转移到金刚石衬底上;设计的掩膜图形为开放窗口与保留的光刻胶组成的周期性图形,所述的开放窗口是曝光时去除光刻胶的区域;
步骤2,在经过步骤1处理后的金刚石衬底上沉积一层掩膜材料,然后使用有机溶剂去除金刚石衬底上的光刻胶,沉积在光刻胶上的掩膜材料也将被一起除去,获得具有图形化掩模的金刚石衬底;所述的掩膜材料是金刚石成核密度较低或者无法成核的材料;
步骤3,将经过步骤2处理后的金刚石衬底进一步清洗后转移到CVD设备中进行金刚石的沉积生长,生长后降至室温,由于金刚石在掩膜材料表面成核密度较低或者无法成核,在无掩膜材料区域的金刚石同质外延生长过程中横向生长的金刚石将会跨过掩膜材料生长在一起,形成完整的单晶金刚石膜,由于金刚石和掩膜材料的热膨胀系数具有显著差异,在生长结束后的降温过程中,掩模区和开放窗口区将会产生巨大的压应力和拉应力,在室温下,这些高应力区域很容易裂开,从而实现外延金刚石膜的轻松剥离;
步骤4,将生长后的样品浸泡到能够溶解步骤2中所沉积的掩膜材料但不损伤光刻胶的溶液中1~10h,实现同质外延单晶金刚石膜和原始的单晶金刚石衬底的剥离。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法,其特征在于,步骤1中,所述掩膜图形为网格状图案,每个开放窗口是边长1μm-80μm的正方形,开放窗口的填充因子控制在20%~90%范围内,所述的填充因子为开放窗口的面积与衬底生长面的总面积比值。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法,其特征在于,步骤2中,沉积掩膜材料时使用磁控溅射、电子束蒸发、等离子体增强化学气相沉积等方法,所述的有机溶剂为丙酮,所述的掩膜材料是Au、SiO2、Mo或Al2O3,掩膜材料的厚度为50nm~800nm。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法,其特征在于,步骤3中,所述金刚石的沉积生长,生长过程分为两个阶段,第一个阶段采用高微波功率、低生长气压以促进外延金刚石膜的横向生长,所述微波功率为3~6kW,生长气压为80~160torr,氢气流量为300~800sccm,甲烷浓度在2~8%之间,生长温度为800-1000℃;第二个阶段采用高微波功率、高生长气压以促进外延金刚石膜的高速高质量生长,所述微波功率为3~6kW,生长气压为160~300torr,氢气流量为300~800sccm,甲烷浓度在2~8%之间,生长温度为850-1100℃。
CN202111645882.3A 2021-12-30 2021-12-30 一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法 Pending CN114318527A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111645882.3A CN114318527A (zh) 2021-12-30 2021-12-30 一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111645882.3A CN114318527A (zh) 2021-12-30 2021-12-30 一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114318527A true CN114318527A (zh) 2022-04-12

Family

ID=81016962

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111645882.3A Pending CN114318527A (zh) 2021-12-30 2021-12-30 一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114318527A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114717655A (zh) * 2022-04-21 2022-07-08 哈尔滨工业大学 一种用于钻石定制图案和电极的晶体内部图形化方法
CN115637431A (zh) * 2022-10-28 2023-01-24 武汉莱格晶钻科技有限公司 一种硅片衬底表面预处理方法及其应用
CN117954331A (zh) * 2024-03-27 2024-04-30 北京大学东莞光电研究院 一种金刚石复合散热基板的制备方法及金刚石复合散热基板

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101775645A (zh) * 2009-01-09 2010-07-14 信越化学工业株式会社 单晶金刚石生长用基材以及使用该基材的单晶金刚石的制造方法
CN104651928A (zh) * 2015-01-17 2015-05-27 王宏兴 金刚石同质外延横向生长方法
CN105177705A (zh) * 2009-01-09 2015-12-23 信越化学工业株式会社 金刚石膜的制造方法
CN108559971A (zh) * 2018-03-13 2018-09-21 同济大学 一种金刚石厚膜切削齿的制备方法
CN111192853A (zh) * 2020-01-10 2020-05-22 北京飓芯科技有限公司 一种基于3d叠层掩模衬底的外延层材料剥离方法
CN111206280A (zh) * 2020-01-07 2020-05-29 北京科技大学 一种高质量大尺寸单晶金刚石外延生长的方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101775645A (zh) * 2009-01-09 2010-07-14 信越化学工业株式会社 单晶金刚石生长用基材以及使用该基材的单晶金刚石的制造方法
CN105177705A (zh) * 2009-01-09 2015-12-23 信越化学工业株式会社 金刚石膜的制造方法
CN104651928A (zh) * 2015-01-17 2015-05-27 王宏兴 金刚石同质外延横向生长方法
CN108559971A (zh) * 2018-03-13 2018-09-21 同济大学 一种金刚石厚膜切削齿的制备方法
CN111206280A (zh) * 2020-01-07 2020-05-29 北京科技大学 一种高质量大尺寸单晶金刚石外延生长的方法
CN111192853A (zh) * 2020-01-10 2020-05-22 北京飓芯科技有限公司 一种基于3d叠层掩模衬底的外延层材料剥离方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114717655A (zh) * 2022-04-21 2022-07-08 哈尔滨工业大学 一种用于钻石定制图案和电极的晶体内部图形化方法
CN115637431A (zh) * 2022-10-28 2023-01-24 武汉莱格晶钻科技有限公司 一种硅片衬底表面预处理方法及其应用
CN117954331A (zh) * 2024-03-27 2024-04-30 北京大学东莞光电研究院 一种金刚石复合散热基板的制备方法及金刚石复合散热基板

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114318527A (zh) 一种大尺寸单晶金刚石膜生长和剥离方法
CN111321466A (zh) 大尺寸单晶金刚石生长方法及生长用复合基底
CN110690105B (zh) 基于六方氮化硼和氮化铝在金刚石衬底上生长氮化镓的方法
CN101373714A (zh) 用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法
CN109103070B (zh) 基于纳米图形硅衬底制备高质量厚膜AlN的方法
JP2020500424A (ja) 層転写のための転位フィルタ処理のためのシステムおよび方法
CN105489714A (zh) 一种多孔氮化铝复合衬底及其在外延生长高质量氮化镓薄膜中的应用
CN113192820A (zh) 一种硅衬底氮化铝薄膜的制备方法
JP2017154909A (ja) ダイヤモンド基板の製造方法
CN116732607A (zh) 氮化物外延结构、外延生长方法及其应用
CN110867483A (zh) 一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构及其制备方法
CN109913945A (zh) 一种在硅(211)衬底上生长硒化铋高指数面单晶薄膜的方法
CN111477534B (zh) 氮化铝模板及其制备方法
CN113130296B (zh) 一种六方氮化硼上生长氮化镓的方法
CN115726034A (zh) 一种二次外延提高大尺寸单晶金刚石接缝质量的方法
CN113774479B (zh) 一种同质/异质混合外延生长大尺寸单晶金刚石的制备方法
CN111334856A (zh) 用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO单晶薄膜的方法
CN114318523A (zh) 一种大尺寸单晶金刚石外延层剥离方法
CN102347214B (zh) 一种用于生长厚膜GaN材料的图形化模板的制备方法
CN111540710B (zh) 一种高导热氮化镓高功率hemt器件的制备方法
CN108511322A (zh) 一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法
CN111668089A (zh) 一种用石墨烯掩膜生长氮化镓的方法
CN110791805A (zh) 一种衬底、外延片及其生长方法
US20240063016A1 (en) Method for manufacturing self-supporting gallium nitride substrate
JPH11243056A (ja) Iii族窒化物半導体の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20220412

RJ01 Rejection of invention patent application after publication