[发明专利]一种基于铱-非晶碳预种植层提高大尺寸单晶金刚石异质外延形核密度的方法

权利要求书

1.一种基于铱-非晶碳预种植层提高大尺寸单晶金刚石异质外延形核密度的方法，其特征在于包括下列步骤：首先将单晶硅100衬底通过酸洗、丙酮或乙醇清洗、去离子水超声清洗、离子束刻蚀方法进行预处理，去除表面氧化层；在处理后的单晶硅衬底表面依次外延纳米厚度的钇稳定氧化锆YSZ单晶膜缓冲层和铱单晶膜功能层；然后在铱/YSZ复合衬底表面制备局部有序的非晶碳预种植层，并对其依次进行真空退火去应力和抛光去石墨相大颗粒处理，得到光滑平整表面；最后在铱-非晶碳预种植层衬底表面偏压增强形核与外延生长单晶金刚石，切割去除复合衬底从而得到异质外延的大尺寸单晶金刚石。

2.根据权利要求1所述的基于铱-非晶碳预种植层提高大尺寸单晶金刚石异质外延形核密度的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将单晶硅100衬底通过酸洗、丙酮或乙醇清洗、去离子水超声清洗、离子束刻蚀进行预处理，去除掉其表面二氧化硅层，得到异质外延的最底层衬底；

（2）将预处理后的单晶硅衬底放入真空等离子体镀膜设备中，在衬底表面首先外延生长纳米厚度的YSZ单晶膜缓冲层，并在保护气氛下对其真空退火处理；YSZ单晶膜的制备方法包括电子束蒸发、激光熔融蒸发、分子束外延沉积或磁控溅射技术；所制备YSZ薄膜晶体取向与单晶硅100衬底的晶向相同；

（3）在YSZ单晶膜缓冲层表面外延生长一层铱单晶膜，形成铱/YSZ复合衬底，铱单晶膜的制备方法包括电子束蒸发、分子束外延沉积或磁控溅射技术；铱薄膜晶体取向与YSZ薄膜晶向一致；

（4）采用高纯度石墨为靶材，在铱/YSZ复合衬底表面制备非晶碳膜，通过调控sp²和sp³杂化碳键的含量和有序度，使其在铱膜表面形成局部有序的非晶碳预种植层，即铱-非晶碳预种植层；

（5）对铱-非晶碳预种植层进行保护气氛下真空退火处理，冷却至室温后对其进行减薄抛光处理，得到光滑平整的铱-非晶碳预种植层表面；

（6）采用化学气相沉积方法在铱-非晶碳预种植层表面偏压增强形核与外延生长单晶金刚石膜，激光切割去除复合衬底，得到异质外延的大尺寸单晶金刚石。

3.根据权利要求2所述的基于铱-非晶碳预种植层提高大尺寸单晶金刚石异质外延形核密度的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，酸洗过程中所用酸为氢氟酸、硝酸或两者混合酸，酸洗时间为1~5 s；丙酮或乙醇清洗5~20 min。

4.根据权利要求2所述的基于铱-非晶碳预种植层提高大尺寸单晶金刚石异质外延形核密度的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，YSZ单晶膜缓冲层的厚度为10~100 nm，沉积速率大于10 nm/min，生长温度为600~1100 ℃；保护气氛为惰性气体或氮气，真空退火温度为200~800 ℃。

5.根据权利要求2所述的基于铱-非晶碳预种植层提高大尺寸单晶金刚石异质外延形核密度的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，铱单晶膜的厚度为50~200 nm，沉积速率小于5nm/min，生长温度为400~1000 ℃。

6.根据权利要求2所述的基于铱-非晶碳预种植层提高大尺寸单晶金刚石异质外延形核密度的方法，其特征在于：所述步骤（4）中，铱-非晶碳预种植层制备方法包括磁过滤真空阴极电弧或脉冲激光熔融技术；非晶碳预种植层中sp³键含量为50%~90%，sp²键含量为10%~50%；非晶碳预种植层厚度为2~20 nm，生长温度为室温。

7.根据权利要求2所述的基于铱-非晶碳预种植层提高大尺寸单晶金刚石异质外延形核密度的方法，其特征在于：所述步骤（5）中，保护气氛为惰性气体或氮气，退火温度为200~600 ℃，退火时间5~30 min；减薄抛光处理后表面粗糙度为1~10 nm。