一种提高大面积单晶金刚石拼接生长质量的方法

1.本发明涉及晶体生长技术领域，尤其涉及一种提高单晶金刚石拼接生长质量的方法。


背景技术：

2.金刚石因为其优异的力学性质被誉为“终极半导体”材料，如大的禁带宽度、大的空穴和电子迁移率、有效的抗辐射能力等等，比传统半导体具有更快的速度、更低的功耗和更高的本征迁移率，尤其是在未来的6g时代、深紫外光电器件、高压大功率电子器件等领域具有显著的优势和巨大的发展潜力，已成为国际竞争的热点。随着半导体器件、微电子学、核能、航空航天、国防军工等领域的发展，大面积的单晶金刚石需求越来越迫切，天然金刚石远不能满足人们的需求，所以希望通过人工合成的方法来制备高质量大面积的单晶金刚石材料。
3.马赛克拼接技术的提出为制备大面积单晶金刚石指明了道路，但是如何解决拼接过程中拼接缝上产生的位错及不均匀的应力分布问题，仍然是研究的热点。shinya ohmagari等通过hfcvd(热灯丝化学气相沉积)生长技术进行钨元素掺杂，使得其在拼接过程中减少了边缘效应，减轻了生长位错对拼接片均一性的影响，但是在生长过程中不可避免的会引入其他杂质元素，影响单晶金刚石在其他领域的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种提高单晶金刚石拼接生长质量的方法，在不引入杂质元素的前提下能够减少拼接生长过程中的缺陷密度，改善拼接缝处应力分布，提高拼接生长的晶体质量。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种提高单晶金刚石拼接生长质量的方法，包括以下步骤：
7.将多片单晶金刚石衬底放入mpcvd设备中，在上表面预生长单晶金刚石薄膜，得到多个预生长样品；所述多片单晶金刚石衬底中任意两片单晶金刚石衬底的厚度差在10μm以内；
8.观察所述多个预生长样品上表面台阶流的生长方向，挑选出台阶流生长方向相近的样品，得到待拼接样品；所述待拼接样品中任意两个预生长样品表面台阶流的偏差夹角控制在0～10
°
；
9.将所述待拼接样品按照台阶流方向相近的方式进行马赛克拼接，得到拼接样品；所述拼接样品中任意两个样品表面台阶流的偏差夹角控制在0～10
°
；
10.将所述拼接样品放入mpcvd设备中进行马赛克拼接生长。
11.优选的，所述预生长的条件包括：生长温度为800～1000℃，生长压力为120～160torr，氢气流量为300～500sccm，甲烷流量为氢气流量的2～10％，生长时间为1～4h。
12.优选的，所述马赛克拼接生长的条件包括：生长温度为800～1000℃，生长压力为
120～160torr，氢气流量为300～500sccm，甲烷流量为氢气流量的2～10％。
13.优选的，观察所述多个预生长样品上表面台阶流的生长方向是在显微镜下进行。
14.优选的，所述多片单晶金刚石衬底的上表面晶面取向一致，上表面晶面取向为(100)、(110)或(111)；侧面取向均为(100)；所述多片单晶金刚石衬底的上表面和侧面的晶面偏离度均在3
°
以内。
15.优选的，所述拼接样品中任意两个样品的高度差在3μm以内。
16.优选的，所述拼接样品中任意两个相邻样品的距离小于150μm。
17.优选的，所述马赛克拼接前，对所述待拼接样品的侧面进行抛光和清洗，使得所述拼接样品的侧面粗糙度在200nm以内。
18.优选的，所述预生长单晶金刚石薄膜前，还包括对多片单晶金刚石衬底进行抛光和清洗。
19.本发明提供了一种提高单晶金刚石拼接生长质量的方法，包括以下步骤：将多片单晶金刚石衬底放入mpcvd设备中，在上表面预生长单晶金刚石薄膜，得到多个预生长样品；所述多片单晶金刚石衬底中任意两片单晶金刚石衬底的厚度差在10μm以内；观察所述多个预生长样品上表面台阶流的生长方向，挑选出台阶流生长方向相近的样品，得到待拼接样品；所述待拼接样品中任意两个预生长样品表面台阶流的偏差夹角控制在0～10
°
；将所述待拼接样品按照台阶流方向相近的方式进行马赛克拼接，得到拼接样品；所述拼接样品中任意两个样品表面台阶流的偏差夹角控制在0～10
°
；将所述拼接样品放入mpcvd设备中进行马赛克拼接生长。
20.本发明先在mpcvd(微波等离子体化学气相沉积)设备中预生长，然后挑选台阶流生长方向相近的预生长样品进行拼接生长，从而提高拼接效率，减少拼接生长过程中的缺陷密度，改善拼接缝处应力分布，提高拼接生长的晶体质量。
21.本发明的方法简便有效，可以兼顾生长速率与晶体质量，而且生长过程中没有引入其他杂质原子，接缝处质地均匀，台阶流逐渐合并，整体生长面表现较为平缓，整体材料的后续生长质量也有着显著提升。
附图说明
22.图1为本发明的工艺流程图；
23.图2为实施例2拼接生长的单晶金刚石表面形貌图。
具体实施方式
24.本发明提供了一种提高单晶金刚石拼接生长质量的方法，包括以下步骤：
25.将多片单晶金刚石衬底放入mpcvd设备中，在上表面预生长单晶金刚石薄膜，得到多个预生长样品；所述多片单晶金刚石衬底中任意两片单晶金刚石衬底的厚度差在10μm以内；
26.观察所述多个预生长样品上表面台阶流的生长方向，挑选出台阶流生长方向相近的样品，得到待拼接样品；所述待拼接样品中任意两个预生长样品表面台阶流的偏差夹角控制在0～10
°
；
27.将所述待拼接样品按照台阶流方向相近的方式进行马赛克拼接，得到拼接样品；
所述拼接样品中任意两个样品表面台阶流的偏差夹角控制在0～10
°
；
28.将所述拼接样品放入mpcvd设备中进行马赛克拼接生长。
29.本发明将多片单晶金刚石衬底放入mpcvd设备中，在上表面预生长单晶金刚石薄膜，得到多个预生长样品。
30.本发明对所述多片单晶金刚石衬底的数量没有特殊要求，可以根据需要选择多放或少放。本发明对每片单晶金刚石衬底的尺寸没有特殊要求，本领域熟知的尺寸均可。在本发明中，每片单晶金刚石衬底的尺寸优选相同。在本发明中，所述多片单晶金刚石衬底中任意两片单晶金刚石衬底的厚度差在10μm以内。本发明控制单晶金刚石衬底的厚度满足上述条件，保证完成马赛克拼接。在本发明中，所述多片单晶金刚石衬底的上表面晶面取向优选一致，上表面晶面取向为(100)、(110)或(111)；侧面取向均为(100)；所述多片单晶金刚石衬底的上表面和侧面的晶面偏离度优选均在3
°
以内。本发明控制多片单晶金刚石衬底的取向满足上述条件，保证两片衬底之间完成拼接，实现单晶金刚石薄膜的横向生长。
31.所述预生长单晶金刚石薄膜前，本发明优选对多片单晶金刚石衬底进行抛光和清洗。本发明对所述抛光和清洗的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的抛光和清洗过程即可。本发明利用抛光和清洗减少高度差与表面杂质。在本发明中，所述清洗优选为用体积比为1:3的浓硫酸与浓硝酸混合液、氢氟酸、丙酮、酒精依次进行清洗。本发明对所述浓硫酸和浓硝酸的浓度没有特殊要求，本领域熟知的浓硫酸和浓硝酸均可。
32.在本发明中，所述预生长的条件优选包括：生长温度为800～1000℃，生长压力为120～160torr，氢气流量为300～500sccm，甲烷流量为氢气流量的2～10％，生长时间为1～4h；作为进一步优选的方案，所述生长温度更优选为850～950℃；所述生长压力更优选为130～150torr；所述氢气流量更优选为350～450sccm；所述甲烷流量优选为氢气流量的3～8％；所述生长时间优选为2～3h。
33.得到多个预生长样品后，本发明观察所述多个预生长样品上表面台阶流的生长方向，挑选出台阶流生长方向相近的样品，得到待拼接样品；所述待拼接样品中任意两个预生长样品表面台阶流的偏差夹角控制在0～10
°
。
34.本发明优选在显微镜下观察所述多个预生长样品上表面台阶流的生长方向；优选拍照用角度尺测量来挑选出台阶流生长方向相近的样品。
35.得到待拼接样品后，本发明将所述待拼接样品然后按照台阶流方向相近的方式进行马赛克拼接，得到拼接样品。
36.在本发明中，所述拼接样品中任意两个相邻样品的距离小于150μm；所述拼接样品中任意两个样品的高度差在3μm以内。所述马赛克拼接前，本发明对所述待拼接样品的侧面进行抛光和清洗，使得所述拼接样品的侧面粗糙度在200nm以内。在本发明中，所述拼接样品中任意两个样品的台阶流方向的夹角控制在0～10
°
。
37.得到拼接样品后，本发明将所述拼接样品放入mpcvd设备中进行马赛克拼接生长。在本发明中，所述马赛克拼接生长的条件优选包括：生长温度为800～1000℃，生长压力为120～160torr，氢气流量为300～500sccm，甲烷流量为氢气流量的2～10％。所述生长温度更优选为850～950℃；所述生长压力更优选为130～150torr；所述氢气流量更优选为350～450sccm；所述甲烷流量更优选为氢气流量的3～8％。本发明对所述生长时间没有特殊要求，根据目标单晶金刚石的厚度选择合适的生长时间即可。
38.图1为本发明的工艺流程图。由图1可知，本发明将多片单晶金刚石衬底放入mpcvd设备中，在上表面预生长单晶金刚石薄膜，得到多个预生长样品；观察所述多个预生长样品上表面台阶流的生长方向，挑选出台阶流生长方向相近的样品，得到待拼接样品；将所述待拼接样品按照台阶流方向相近的方式进行马赛克拼接，得到拼接样品；最后将所述拼接样品放入mpcvd设备中进行马赛克拼接生长。
39.本发明先在mpcvd(微波等离子体化学气相沉积)设备中预生长，然后挑选台阶流生长方向相近的预生长样品进行拼接生长，从而提高拼接效率，减少拼接生长过程中的缺陷密度，改善拼接缝处应力分布，提高拼接生长的晶体质量。
40.下面结合实施例对本发明提供的提高单晶金刚石拼接生长质量的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
41.实施例1
42.选取2片上下表面晶面取向为(100)，侧表面晶面取向为(100)，晶面偏离度在2
°
以内的单晶金刚石衬底，将选取的单晶金刚石衬底上下表面进行抛光处理，控制其高度差在10um内，再用体积比为1:3的浓硫酸(18mol/l)与浓硝酸(16mol/l)混合液、氢氟酸、丙酮、酒精依次进行清洗，去除表面杂质。
43.将处理后的衬底同时放入mpcvd设备中进行预生长，生长温度控制在850℃，生长压力为120torr，氢气流量控制在200sccm，甲烷浓度为3％，生长时长2h，得到多个预生长样品；
44.将预生长样品置于显微镜下观察样品台阶流生长方向，选取台阶流夹角小于10
°
的2片单晶金刚石衬底进行侧面抛光，控制侧面粗糙度小于200nm；
45.选取处理好的2片单晶金刚石衬底清洗后按照台阶流生长方向相近的方式摆放整齐，并控制任意两片单晶金刚石间的间距小于150μm，作为拼接衬底，放入mpcvd中进行马赛克拼接生长；生长温度控制在900℃，生长压力为120torr，氢气流量控制在600sccm，甲烷浓度为5％，生长时间为24h。
46.实施例2
47.选取4片上下表面和侧表面晶面取向均为(100)，晶面偏离度在3
°
内的单晶金刚石衬底，将选取的单晶金刚石衬底上下表面进行抛光处理，控制其高度差在10um内，再用体积比1:3的浓硫酸(18mol/l)与浓硝酸(16mol/l)混合液、氢氟酸、丙酮、酒精依次进行清洗，去除表面杂质；
48.将处理后的衬底同时放入mpcvd设备中进行预生长，生长温度控制在900℃，生长压力为140torr，氢气流量控制在400sccm，甲烷浓度为2％，生长时间为2h；
49.将预生长样品置于显微镜下观察样品台阶流生长方向，选取台阶流夹角小于10
°
的4片单晶金刚石衬底进行侧面抛光，控制侧面粗糙度小于200nm，
50.将选取并处理好的4片单晶金刚石衬底清洗后按照台阶流生长方向相近的方式摆放整齐，并控制任意两片单晶金刚石间的间距小于150μm，作为拼接衬底，放入mpcvd中进行马赛克拼接生长，生长温度控制在950℃，生长压力为140torr，氢气流量控制在600sccm，甲烷浓度为5％，生长时间为24h。
51.图2为实施例2拼接生长的单晶金刚石表面形貌图。图2中5张图片分别代表了最终样品的中心位置及4个两两存在拼接缝的位置。由图2可知，采用本发明的方法在不引入杂
质元素的前提下能够减少拼接生长过程中的缺陷密度，接缝处质地均匀，台阶流逐渐合并，整体生长面表现较为平缓，提高了拼接生长的晶体质量。
52.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。