一种单晶金刚石外延生长方法

本发明涉及半导体，尤其涉及到一种单晶金刚石外延生长方法。

背景技术：

1、金刚石最初作为珠宝首饰制备原料为人们所熟知。由于其优异的材料特性，近年来逐渐被应用在电力电子器件领域。金刚石材料作为超宽禁带半导体的典型代表，具有禁带宽度大、载流子浓度高、热导率高等突出优点，能够应用在高温、强辐射等极端环境中，这也使得金刚石器件逐渐在国际半导体材料和器件的研究中成为热点。

2、天然的金刚石产量、尺寸、质量、品质都逊色于人造金刚石，且成本较高，目前世界上主要采用高温高压(hthp)法和化学气相沉积(cvd)法来进行人工合成金刚石。利用高温高压制备的单晶金刚石杂质含量较多,且尺寸较小，而采用化学气相沉积的方法在单晶金刚石衬底上通过同质外延生长可以制备出具有优异电学性能的高质量金刚石晶体材料。但是，由于采用化学气相沉积法外延制备单晶金刚石的生长过程中会因为散热等原因导致外延层出现应力集中的现象，在生长到一定厚度后，应力累积，外延片会因此出现裂纹而生长失败，也不能满足半导体技术对金刚石样品尺寸的要求，因此，如何减小金刚石外延过程中出现的应力集中和累积成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、因此，为了解决现有技术中的单晶金刚石外延生长过程中会出现应力集中和累积的，导致金刚石外延层生长到一定厚度后会出现裂纹而生长失败的问题，提供一种能够减小金刚石外延过程中出现的应力集中和累积的单晶金刚石外延生长方法。

2、为此，本发明提供了一种单晶金刚石外延生长方法，包括如下步骤：

3、将单晶金刚石衬底焊接于第一钼托上；

4、在单晶金刚石衬底上进行同质外延生长，直至生长得到的第一金刚石外延层的厚度达到第一预设厚度；

5、将第一金刚石外延层焊接于第二钼托上的第一生长凹槽内并进行同质外延生长，直至生长得到的第二金刚石外延层的厚度与第一生长凹槽的深度的差值达到预设差值；第一生长凹槽的深度小于第一金刚石外延层的厚度；

6、将第二金刚石外延层焊接于第三钼托上的第二生长凹槽内并进行同质外延生长，直至生长得到的第三金刚石外延层的厚度与第二生长凹槽的深度的差值达到预设差值；第二生长凹槽的深度小于第二金刚石外延层的厚度；

7、重复外延生长，直至得到第二预设厚度的单晶金刚石外延层。

8、在一种可能的实现方式中，将单晶金刚石衬底焊接于第一钼托上的步骤之前，还包括：

9、将外延生长设备中的气氛设置为氢气气氛，再通入氧气，刻蚀去除单晶金刚石衬底表面的非金刚石相。

10、在一种可能的实现方式中，将单晶金刚石衬底焊接于第一钼托上的步骤之前，还包括：

11、对单晶金刚石衬底进行退火处理。

12、在一种可能的实现方式中，第一预设厚度在1mm～2mm之间，预设差值也在1mm～2mm之间。

13、在一种可能的实现方式中，单晶金刚石衬底和第一钼托之间的焊接、第一金刚石外延层和第二钼托之间的焊接、以及第二金刚石外延层和第三钼托之间的焊接均为使用金箔进行焊接。

14、在一种可能的实现方式中，单晶金刚石衬底为多个，且多个单晶金刚石衬底的晶向角度均在58°～61°之间。

15、在一种可能的实现方式中，将第一金刚石外延层焊接于第二钼托上的第一生长凹槽内并进行同质外延生长，直至生长得到的第二金刚石外延层的厚度与第一生长凹槽的深度的差值达到预设差值的步骤之前，还包括：

16、对第一金刚石外延层进行降温处理。

17、本发明提供的技术方案，具有如下优点：

18、本发明提供的单晶金刚石外延生长方法，通过使用钼托进行单晶金刚石的外延生长，并在整个生长过程中，在外延层达到不同的厚度时使用具有不同深度的生长凹槽的钼托，使得生长过程中的热量能够通过外延层底部以及四周的钼托均匀散发，能够减小应力集中，进而减小应力累积导致外延层出现裂纹的可能性；且基于发明人发现，单晶金刚石的外延生长设备(如微波等离子体化学气相沉积设备)中的生长气体浓度并不完全均匀，一般从设备底部到其中的一定高度处为最适合金刚石外延生长的理想浓度，因而，通过设置第一钼托上的第一金刚石外延层到达第一预设厚度，其后的金刚石外延层(如，第二金刚石外延层、第三金刚石外延层、第四金刚石外延层等)的厚度高于对应的生长凹槽(对应的，为第二生长凹槽、第三生长凹槽、第四生长凹槽等)的差值达到预设差值时，更换具有更深的生长凹槽的钼托进行生长，使得金刚石外延层的上表面始终处于生长气体的理想浓度处，能够提高单晶金刚石的外延生长质量，进一步减小应力集中、应力累积导致外延层出现裂纹的可能性。

技术特征：

1.一种单晶金刚石外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的单晶金刚石外延生长方法，其特征在于，所述将单晶金刚石衬底焊接于第一钼托上的步骤之前，还包括：

3.根据权利要求1或2所述的单晶金刚石外延生长方法，其特征在于，所述将单晶金刚石衬底焊接于第一钼托上的步骤之前，还包括：

4.根据权利要求3所述的单晶金刚石外延生长方法，其特征在于，所述第一预设厚度在1mm～2mm之间，所述预设差值也在1mm～2mm之间。

5.根据权利要求3所述的单晶金刚石外延生长方法，其特征在于，所述单晶金刚石衬底和所述第一钼托之间的焊接、所述第一金刚石外延层和所述第二钼托之间的焊接、以及所述第二金刚石外延层和所述第三钼托之间的焊接均为使用金箔进行焊接。

6.根据权利要求3所述的单晶金刚石外延生长方法，其特征在于，所述单晶金刚石衬底为多个，且多个所述单晶金刚石衬底的晶向角度均在58°～61°之间。

7.根据权利要求6所述的单晶金刚石外延生长方法，其特征在于，所述将所述第一金刚石外延层焊接于第二钼托上的第一生长凹槽内并进行同质外延生长，直至生长得到的第二金刚石外延层的厚度与所述第一生长凹槽的深度的差值达到预设差值的步骤之前，还包括：

技术总结
本发明公开了一种单晶金刚石外延生长方法，包括如下步骤：将单晶金刚石衬底焊接于第一钼托上；在单晶金刚石衬底上进行同质外延生长，直至生长得到的第一金刚石外延层的厚度达到第一预设厚度；将第一金刚石外延层焊接于第二钼托上的第一生长凹槽内，直至生长得到的第二金刚石外延层的厚度与第一生长凹槽的深度的差值达到预设差值；将第二金刚石外延层焊接于第三钼托上的第二生长凹槽内，直至生长得到的第三金刚石外延层的厚度与第二生长凹槽的深度的差值达到预设差值；重复外延生长，直至得到第二预设厚度的单晶金刚石外延层。本发明中的方法，能够减小外延生长过程中的应力集中和应力累积，防止单晶金刚石外延层出现裂纹。

技术研发人员：许琦辉,陈军飞,张金风,任泽阳,苏凯,吴勇,王东,陈兴,黄永,李俊鹏,丁森川,李逸江,孟金涛,朱潦亮
受保护的技术使用者：西安电子科技大学芜湖研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12