[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

说明书

本发明公开了一种基于铱‑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，首先通过酸洗、丙酮或乙醇超声清洗方法预处理单晶硅衬底；在处理后的单晶硅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复合衬底表面预种植非晶碳膜，并对其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‑非晶碳预种植层表面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。该方法利用非晶碳种植层加快偏压形核时碳离子进入铱膜形成过饱和固溶体的溶解‑析出过程，增加形核位点，提高形核密度，对制备大尺寸高质量单晶金刚石具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种基于铱-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，属于材料表面处理技术领域。

背景技术

新一代深紫外光电探测器、5G通信、及军用雷达等高新技术领域已大量应用金刚石衬底元器件。与多晶金刚石相比，无晶界制约的单晶金刚石具有缺陷少、性能优等优点，在电学、电学方面性能更为优异，表现出了巨大的应用潜力。且单晶金刚石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，在量子通信、冷阴极场发射显示器、半导体激光器超级计算机CPU芯片多维集成电路及高压大功率电子器件等前沿科技领域应用效果显著，已成为国际竞争的热点。然而，制备出大尺寸高质量的单晶金刚石是应用前提，金刚石作为半导体材料晶圆，其尺寸必须达到2英寸以上。

目前，大尺寸单晶金刚石及晶圆制备技术主要有马赛克生长、同质外延生长、异质外延生长等技术。近四十年来，国内外大量实验研究表明（Scientific Reports 7(2017)1-8和Diamond and Related Materials 17（2008）1035-1038），化学气相沉积技术结合异质外延生长方法是目前公认的制备高质量大尺寸单晶金刚石的唯一有效可行的方法。异质外延单晶金刚石的技术关键是衬底材料的选择与金刚石的形核密度和生长。金属铱具有很高的形核密度和优异单晶特征，在其上异质外延生长的金刚石质量极高，被认为是最有效的金刚石异质外延生长缓冲层。理论上该方法可以生长面积足够大的单晶金刚石，以满足其在电子器件领域产业化的需求。但是现有技术中，金属氧化物在硅上的外延质量尚不能达到要求，大部分外延生长单晶金刚石均是在金属氧化物单晶片外延金属铱层的异质衬底上进行的，该技术导致外延层与衬底材料的晶格失配容易造成金刚石层粘附差，且外延的金属铱层和金刚石层并不能同时获得高质量单晶晶体取向。

另外，金刚石在异质衬底表面形核密度较低，中国专利CN202110732256.1和CN111826714A中，通过将整个衬底覆盖金属铱层或利用特殊电源施加偏压，该技术极大限制了单晶金刚石的外延尺寸以及质量，成为异质外延生长大尺寸单晶金刚石的关键技术难题。

发明内容

本发明旨在提供一种基于铱-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，通过物理和化学手段去除单晶硅表面的氧化层，提高后续金属氧化物在硅上的外延生长质量；并在后续金属铱单晶膜表面引入同时局部有序的非晶碳预种植层，增加形核位点促进形核并增强金刚石核的结合力，可以有效提高铱复合衬底表面的形核密度和之后外延生长单晶金刚石的质量以及尺寸，降低外延层与衬底之间的热膨胀系数差异和晶格失配，从而获得大尺寸高质量的单晶金刚石材料。