[發明專利]一種高質量大尺寸單晶金剛石外延生長的方法

有效

• 申請號: 202010015169.X
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111206280B
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 李成明;鄭宇亭;邵思武;朱肖華;劉金龍;魏俊俊;陳良賢
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C30B29/04
• 分類號: C30B29/04;C30B25/18
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

1.一種高質量大尺寸單晶金剛石外延生長的方法，即基于馬賽克拼接單晶金剛石片的大尺寸單晶金剛石異質外延生長，包括以下步驟：

步驟1：金剛石的研磨和拋光

對高質量馬賽克拼接單晶金剛石片進行精密拋光，拋光后實現表面粗糙度低于0.2nm；

步驟2：金剛石的酸洗及預處理

對馬賽克拼接單晶金剛石片進行酸洗及預處理；

步驟3：金屬鎳薄層的沉積

在馬賽克拼接單晶金剛石片表面沉積金屬鎳薄層，采用電子束蒸發的方法對馬賽克拼接單晶金剛石片進行金屬鎳的沉積，在沉積過程中對馬賽克拼接單晶金剛石片進行加熱，在100℃到500℃的條件下以0.01nm/s-0.1nm/s的速度沉積厚度為100nm-200nm金屬鎳薄層；

步驟4：金屬銥薄層的沉積

在已沉積鎳薄層的馬賽克拼接單晶金剛石片表面沉積金屬銥薄層，采用電子束蒸發的方法對經過鎳沉積的馬賽克拼接單晶金剛石片進行金屬銥的沉積，沉積過程中持續對馬賽克拼接單晶金剛石片進行加熱，在100℃到500℃的條件下以0.01nm/s-0.5nm/s的速度沉積金屬銥至厚度達15nm到40nm，隨后提高沉積加熱溫度至700℃到1000℃，以0.5nm/s到1nm/s的速度繼續沉積金屬銥至厚度達150nm到300nm，實現動態沉積過程中的單一取向晶化；

步驟5：無定型碳薄層的預沉積

在形核前沉積一層無定型碳薄層使得碳原子預先溶解于銥薄層內形成富碳態，采用微波等離子體化學氣相沉積技術，首先通入純氫氣的同時設置微波輸入功率為1-1.5kW、腔壓為7-10kPa、溫度為600-700℃，以純氫等離子體對銥表面進行等離子清洗10min-30min，再在微波等離子化學氣相沉積過程中，設置甲烷與氫氣比例為10:100到15:100的流量，微波輸入功率為1-1.5kW、腔壓為7-10kPa、溫度為600-700℃沉積無定型碳層4-10nm；

步驟6：無定型碳薄層的刻蝕去除及金剛石的偏壓形核

首先以純氫等離子體將表面無定型碳刻蝕去除；在化學氣相沉積金剛石的過程中通過對馬賽克拼接單晶金剛石片施加負偏壓；在金屬銥表面快速原位形成微核并實現擴展長大，直至實現相互接觸合并；所述的清洗刻蝕及偏壓形核步驟為：

(1)通入純氫氣的同時設置微波輸入功率為3-4kW、腔壓為18-20kPa、溫度為800-900℃，以純氫等離子體對銥表面進行純氫等離子刻蝕6-15s；

(2)通入甲烷并保持與氫氣比例為3:100到5:100的流量，微波輸入功率為3-4kW、腔壓為18-20kPa、溫度為850-1000℃；同時設置偏執電壓為-150V到-300V的情況下形核20min到100min；

步驟7：高質量單晶金剛石的外延生長

通過控制甲烷與氫氣比例和微波輸入功率，保持一定的腔壓和溫度，來生長高質量單晶金剛石外延層，高質量單晶金剛石于外延生長過程中，調節甲烷與氫氣比例為1:100到2:100的流量，微波輸入功率為3.5-4.5kW、腔壓為20-24kPa、溫度為900-1050℃。

2.如權利要求1所述高質量大尺寸單晶金剛石外延生長的方法，其特征在于步驟1所述的精密拋光步驟為：用顆粒度為100nm、40nm、20nm的金剛石微粉，對馬賽克拼接單晶金剛石片分別進行預拋光24-48小時；然后更換金剛石粉顆粒度依次為10和2.5nm，并重復上述步驟；隨后將其置于精密金剛石拋光盤上，在轉速為40轉/分鐘，80轉/分鐘，120轉/分鐘情況下分別進行20-80小時，40-160小時和80-200小時。

3.如權利要求1所述高質量大尺寸單晶金剛石外延生長的方法，其特征在于步驟2所述金剛石的酸洗及預處理的步驟為：拋光后將馬賽克拼接單晶金剛石片置于HNO₃：H₂SO₄為1:3的混合液中煮沸45分鐘到2小時，后用去離子水沖洗；再依次置于丙酮溶液和無水乙醇中各超聲清洗10-15分鐘，吹干。