[發明專利]采用納米結構制備高質量金剛石單晶的二次外延方法

有效

• 申請號: 201911180429.2
• 申請日: 2019-11-27
• 公開（公告）號: CN110863243B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 智婷;陶濤;謝自力;劉斌
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: C30B25/18
• 分類號: C30B25/18;C30B25/20;C30B29/04
• 代理公司: 江蘇斐多律師事務所 32332
• 代理人: 張佳妮

本發明公開了一種采用納米結構制備高質量金剛石單晶的二次外延方法，其生長步驟是：1)選用高溫高壓金剛石作為籽晶；2)對籽晶表面缺陷和損傷刻蝕預處理；3)控制反應室壓力，微波功率，溫度，甲烷濃度以及生長時間，首次外延2～40μm厚度金剛石薄膜層；4)電子束蒸發蒸鍍約4～40nm厚度金屬Ni薄膜層；5)高溫熱處理獲得金屬納米顆粒圖形；6)等離子刻蝕獲得金剛石納米顆粒圖層；7)控制反應室壓力，微波功率，溫度，甲烷濃度以及生長時間，二次外延5?200μm厚度金剛石薄膜。本發明有效抑制金剛石薄膜內缺陷的延伸、降低缺陷密度、提高晶體表面的平整度。

技術領域

本發明涉及一種金剛石單晶的生長方法，尤其是一種采用納米結構制備高質量金剛石單晶的二次外延方法。

背景技術

近年來，金剛石作為新型寬禁帶半導體材料，具有很多獨特的優勢，如由于擁有高硬度、高耐磨性、熱穩定性好、高擊穿場強、高導熱率、高載流子遷移率耐腐蝕性能等。因此其應用范圍被廣泛擴大，在精密加工、航天航空、半導體通信等得到大力發展，日漸成為解決極端領域的基礎材料甚至是唯一材料。傳統的人造金剛石一般采用高溫高壓法，該方法制備的金剛石一般含有大量雜質、缺陷密度高，且尺寸小，這些將嚴重限制了單晶金剛石的應用范圍，導致其產出的金剛石僅能在下游產業存在，而非在高科技領域使用。

相比較而已，微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)是目前公認制備高質量大尺寸單晶金剛石的最有效途徑之一，MPCVD制備出的金剛石樣品具有單晶、雜質濃度低、缺陷密度低、尺寸較大等優勢，且通過控制故意摻雜的方式可以生長出不同的類型的半導體材料，這是成為有效的半導體材料的至關重要。采用MPCVD法外延生長金剛石，一般采用天然金剛石或者高溫高壓制備的單晶金剛石作為籽晶，通過微波功率形成微波等離子體放電，對含碳氣體如Chapter進行分解，產生活性離子并在籽晶上沉積金剛石膜。然而，直接在籽晶上利用MPCVD外延金剛石仍然存在平整度低、缺陷密度高、尺寸較小等問題，專利CN107675249提出一種單晶金剛石的擴徑生長方式，提高晶體質量，但是面對后續生長更厚的金剛石時，表面會有落差很大的臺階流，則需要后續機械拋光，這將造成大量的單晶金剛石的浪費。

專利CN105506576A公開了一種高品質金剛石厚膜的制備方法。該發明專利的特征在于：先使用化學氣相沉積制備金剛石厚膜，然后研磨、拋光薄膜的形核面，去除殘留碳化物，以此為集體再進行金剛石厚膜的制備。該方法中仍然以單晶硅片作為基體，通過金剛石研磨粉對硅片進行處理，然后再進行金剛石薄膜的外延。但該專利只能得到金剛石多晶薄膜，無法得到金剛石單晶薄膜。因此限制了該專利的應用范圍和市場前景。此外，該發明中的關鍵步驟，對金剛石厚膜的研磨與拋光是一步關鍵因素。眾所周知，金剛石是自然界中最硬的材料，因此對金剛石材料的研磨和拋光難度非常大。通常采用的方法是激光切割或采用金剛石研磨粉進行研磨拋光。但是無論是激光切割還是金剛石粉末拋光，都需要十幾個小時甚至是幾天的時間進行處理，耗費大量的時間和人力。本發明專利則不需要對金剛石薄膜進行研磨拋光，通過制備納米尺度圖形化的方法，進行無序化自然選擇，保留住高質量金剛石單晶部分。其優勢不僅是可以獲得高質量的金剛石單晶薄膜，而且納米化圖形制備和隨后的刻蝕方法只需要幾十分鐘就可以完成，能夠節約大量的時間和人力成本。因此本發明專利具備非常大的技術優勢。

發明CN107428541A中公布了一種金剛石單晶潮流的外延方法，采用了金剛石種子或籽晶作為基體，選取了(100)晶面取向。該發明要求對(100)取向軸的偏軸角不超過3度。并且要求刻蝕頂表面以漏出或去除表面損傷，降低缺陷密度。在材料生長前，采用300攝氏度的沸騰酸浴中清潔基底，隨后進行CVD生長。該發明沒有對基底材料進行特別的設計和處理，反而對基底材料的質量和性能要求很高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種采用納米結構制備高質量金剛石單晶的二次外延方法。

本發明采用的技術方案為：一種采用納米結構制備高質量金剛石單晶的二次外延方法，其步驟包括：