[发明专利]采用纳米结构制备高质量金刚石单晶的二次外延方法

说明书

本发明公开了一种采用纳米结构制备高质量金刚石单晶的二次外延方法，其生长步骤是：1)选用高温高压金刚石作为籽晶；2)对籽晶表面缺陷和损伤刻蚀预处理；3)控制反应室压力，微波功率，温度，甲烷浓度以及生长时间，首次外延2～40μm厚度金刚石薄膜层；4)电子束蒸发蒸镀约4～40nm厚度金属Ni薄膜层；5)高温热处理获得金属纳米颗粒图形；6)等离子刻蚀获得金刚石纳米颗粒图层；7)控制反应室压力，微波功率，温度，甲烷浓度以及生长时间，二次外延5‑200μm厚度金刚石薄膜。本发明有效抑制金刚石薄膜内缺陷的延伸、降低缺陷密度、提高晶体表面的平整度。

技术领域

本发明涉及一种金刚石单晶的生长方法，尤其是一种采用纳米结构制备高质量金刚石单晶的二次外延方法。

背景技术

近年来，金刚石作为新型宽禁带半导体材料，具有很多独特的优势，如由于拥有高硬度、高耐磨性、热稳定性好、高击穿场强、高导热率、高载流子迁移率耐腐蚀性能等。因此其应用范围被广泛扩大，在精密加工、航天航空、半导体通信等得到大力发展，日渐成为解决极端领域的基础材料甚至是唯一材料。传统的人造金刚石一般采用高温高压法，该方法制备的金刚石一般含有大量杂质、缺陷密度高，且尺寸小，这些将严重限制了单晶金刚石的应用范围，导致其产出的金刚石仅能在下游产业存在，而非在高科技领域使用。

相比较而已，微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)是目前公认制备高质量大尺寸单晶金刚石的最有效途径之一，MPCVD制备出的金刚石样品具有单晶、杂质浓度低、缺陷密度低、尺寸较大等优势，且通过控制故意掺杂的方式可以生长出不同的类型的半导体材料，这是成为有效的半导体材料的至关重要。采用MPCVD法外延生长金刚石，一般采用天然金刚石或者高温高压制备的单晶金刚石作为籽晶，通过微波功率形成微波等离子体放电，对含碳气体如Chapter进行分解，产生活性离子并在籽晶上沉积金刚石膜。然而，直接在籽晶上利用MPCVD外延金刚石仍然存在平整度低、缺陷密度高、尺寸较小等问题，专利CN107675249提出一种单晶金刚石的扩径生长方式，提高晶体质量，但是面对后续生长更厚的金刚石时，表面会有落差很大的台阶流，则需要后续机械抛光，这将造成大量的单晶金刚石的浪费。

专利CN105506576A公开了一种高品质金刚石厚膜的制备方法。该发明专利的特征在于：先使用化学气相沉积制备金刚石厚膜，然后研磨、抛光薄膜的形核面，去除残留碳化物，以此为集体再进行金刚石厚膜的制备。该方法中仍然以单晶硅片作为基体，通过金刚石研磨粉对硅片进行处理，然后再进行金刚石薄膜的外延。但该专利只能得到金刚石多晶薄膜，无法得到金刚石单晶薄膜。因此限制了该专利的应用范围和市场前景。此外，该发明中的关键步骤，对金刚石厚膜的研磨与抛光是一步关键因素。众所周知，金刚石是自然界中最硬的材料，因此对金刚石材料的研磨和抛光难度非常大。通常采用的方法是激光切割或采用金刚石研磨粉进行研磨抛光。但是无论是激光切割还是金刚石粉末抛光，都需要十几个小时甚至是几天的时间进行处理，耗费大量的时间和人力。本发明专利则不需要对金刚石薄膜进行研磨抛光，通过制备纳米尺度图形化的方法，进行无序化自然选择，保留住高质量金刚石单晶部分。其优势不仅是可以获得高质量的金刚石单晶薄膜，而且纳米化图形制备和随后的刻蚀方法只需要几十分钟就可以完成，能够节约大量的时间和人力成本。因此本发明专利具备非常大的技术优势。

发明CN107428541A中公布了一种金刚石单晶潮流的外延方法，采用了金刚石种子或籽晶作为基体，选取了(100)晶面取向。该发明要求对(100)取向轴的偏轴角不超过3度。并且要求刻蚀顶表面以漏出或去除表面损伤，降低缺陷密度。在材料生长前，采用300摄氏度的沸腾酸浴中清洁基底，随后进行CVD生长。该发明没有对基底材料进行特别的设计和处理，反而对基底材料的质量和性能要求很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用纳米结构制备高质量金刚石单晶的二次外延方法。

本发明采用的技术方案为：一种采用纳米结构制备高质量金刚石单晶的二次外延方法，其步骤包括：