[发明专利]一种可重复利用衬底异质外延金刚石材料的方法

说明书

本发明提供了一种可重复利用衬底异质外延金刚石材料的方法，属于异质外延金刚石制备技术领域，包括以下步骤：以MgO衬底为基础衬底，通过光刻和刻蚀制备金字塔形状的MgO衬底，并通过高温溅射将金属Ir结合，形成Ir/MgO复合衬底，通过在Ir/MgO复合衬底上完成异质外延金刚石的生长，最后，Ir/MgO复合衬底连同外延金刚石一并从高温状态快速降温，利用Ir/MgO复合衬底和外延金刚石热膨胀系数的不同，使二者脱离，以完成异质外延金刚石的制备，并达到Ir/MgO复合衬底可重复利用的目的。本发明提供的一种可重复利用衬底异质外延金刚石材料的方法，有助于制备人为可控厚度，表面均匀平坦，可重复利用衬底异质外延金刚石材料。

技术领域

本发明属于异质外延金刚石制备技术领域，更具体地说，是涉及一种可重复利用衬底异质外延金刚石材料的方法。

背景技术

金刚石晶体中，碳原子四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成四面体。金刚石作为超宽带隙半导体材料的一员(禁带宽度5.5eV)，具有优异的物理和化学性质，如高载流子迁移率、高热导率、高击穿电场、高载流子饱和速率和低介电常数等，基于这些优异的性能参数，金刚石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料。

金刚石应用于半导体产业，需要较大尺寸的单晶材料，金刚石晶体的制备方法也在不断发展，以各种CVD(化学气相沉积)技术为主。进入21世纪，重复生长法、三维生长法及马赛克法的出现，促进了大尺寸金刚石制备的发展。

传统的金刚石晶体的制备方法受限于金刚石衬底的尺寸，很难制备大尺寸单晶材料。Ir/MgO复合衬底异质外延金刚石材料是一种有效的解决方法，该方法的缺点是每次金刚石生长之后，复合衬底需要通过硝酸腐蚀掉，造成衬底浪费。由于高温磁控溅射Ir金属工艺及Ir金属成本的昂贵，该方法不利于金刚石晶体材料的大面积推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可重复利用衬底异质外延金刚石材料的方法，实现了Ir/MgO复合衬底的可重复利用，有利于降低异质外延金刚石晶体材料的制备成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种可重复利用衬底异质外延金刚石材料的方法，包括以下步骤：

S1：将MgO衬底进行清洗和干燥；

S2：对MgO衬底进行两次光刻和ICP刻蚀，制备成金字塔形状的MgO衬底，并进行清洗和干燥；

S3：将金字塔形状的MgO衬底放入磁控溅射设备中，进行抽真空处理，对金字塔形状的MgO衬底高温溅射金属Ir，形成Ir/MgO复合衬底；

S4：将Ir/MgO复合衬底放入金刚石生长炉内，通入氢气，升温升压后通入气态碳源；

S5：通入氩气对Ir/MgO复合衬底进行Ar粒子轰击，维持2min后关闭氩气，外延生长金刚石，生长时间为10-100小时；

S6：停止氢气和气态碳源，并在氢气环境下快速降至室温，直至外延金刚石从衬底表面脱落。

在一种可能的实现方式中，在步骤S1和S2中，对MgO衬底和金字塔形状的MgO衬底进行清洗时，均采用去离子水和丙酮超声波清洗。

在一种可能的实现方式中，在步骤S3中，抽真空处理至压力值≤1×10-5mbar，升温至700℃后进行高温溅射300nm的金属Ir。

在一种可能的实现方式中，在步骤S4中，通入氢气的流量为500sccm，气态碳源的流量与氢气的流量之比为1%-3%之间，升温至950℃，升压至100-200mbar之间。

在一种可能的实现方式中，在步骤S5中，通入氩气的流量为100sccm。