一种单晶金刚石及制备方法

1.本发明属于半导体材料制备领域，具体涉及一种单晶金刚石及制备方法。


背景技术：

2.金刚石是自然界中硬度最大、固体材料中导热率最高的材料,且具有从远红外到近紫外宽波段光学透明和负电子亲和势等独特性质,被广泛应用于探测器、散热等领域。单晶金刚石又因为其具有无晶界、缺陷少等优异性能，被普遍关注。
3.目前单晶金刚石的制备方法主要有高温高压法和化学气相沉积法。利用高温高压制备的单晶金刚石杂质含量较多,且尺寸较小。而化学气相沉积方法是在高温高压型单晶金刚石衬底上通过同质外延生长的，可以制备出具有优异电学性能的高质量金刚石晶体材料。由于目前的高温高压金刚石的尺寸有限，化学气相沉积法也不能满足半导体技术对金刚石样品尺寸的要求。
4.异质外延单晶金刚石能够突破对衬底尺寸的限制，获得大尺寸单晶金刚石。但是异质外延过程中，单晶金刚石成核和晶向控制十分困难，通常需要外加直流偏压；并且，形核晶向控制困难，导致异质外延单晶金刚石通常包含(113)面晶体取向，无法形成取向均一的高质量单晶生长。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种单晶金刚石及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明实施例提供了一种单晶金刚石的制备方法，包括步骤：
7.s1、在衬底上制备金刚石成核层；
8.s2、在所述金刚石成核层上外延生长晶面取向均一、且表面凹凸不平的多晶金刚石层；
9.s3、在所述多晶金刚石层的凹凸不平的表面上外延生长金属铱；
10.s4、对所述金属铱进行表面抛光处理，以露出所述多晶金刚石层与所述金属铱交错分布的平面，形成复合衬底；
11.s5、在所述复合衬底上生长单晶金刚石。
12.在本发明的一个实施例中，步骤s1包括：
13.在所述衬底上旋涂纳米晶金刚石，旋涂转速为300～1000r/min，所述纳米晶金刚石的晶粒尺寸为10～100nm，形成所述金刚石成核层。
14.在本发明的一个实施例中，所述衬底包括硅、蓝宝石、碳化硅中的一种或多种。
15.在本发明的一个实施例中，硅衬底的直径为5～100mm，厚度为1～3mm。
16.在本发明的一个实施例中，步骤s2包括：
17.在ch4流量为15～30sccm，h2流量为300～600sccm，n2流量为0.3～0.6sccm，压强为70～120torr，功率为4000～6000w，生长温度为850～1100℃的条件下，在所述金刚石成核
层上外延生长所述多晶金刚石层。
18.在本发明的一个实施例中，所述多晶金刚石层的晶面包括(100)面、(111)面或(110)面，厚度为0.05～1mm。
19.在本发明的一个实施例中，步骤s3包括：
20.在所述多晶金刚石层的表面利用磁控溅射的方法以0.5～2nm/s的速率沉积一层0.1～3μm的金属铱。
21.在本发明的一个实施例中，步骤s5包括：
22.利用化学气相沉积法，以ch4流量为15～30sccm，h2流量为300～600sccm，n2流量为0～0.6sccm，压强为110～150torr，功率为5000～6000w，生长温度为950～1200℃的条件，在所述复合衬底表面生长所述单晶金刚石。
23.在本发明的一个实施例中，所述单晶金刚石的厚度为0.1～1mm。
24.本发明的另一个实施例提供了一种单晶金刚石，由上述实施例任一项所述的制备方法制得。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果：
26.本发明的制备方法通过在金刚石成核层上制备多晶金刚石，并且在多晶金刚石表面制备金属铱，形成复合衬底，在复合衬底上外延单晶金刚石时，在晶面取向均一的多晶金刚石表面即可形核，避免传统单晶金刚石异质外延过程中形核阶段对衬底直流偏压的需要，且所形成的单晶金刚石晶体取向均一，质量较高，从而实现了与现有设备的兼容，降低了工艺复杂度，提高了成品率。
附图说明
27.图1为本发明实施例提供的一种单晶金刚石的制备方法的流程示意图；
28.图2a-图2e为本发明实施例提供的一种单晶金刚石的制备方法的过程示意图。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
30.实施例一
31.请参见图1和图2a-图2e，图1为本发明实施例提供的一种单晶金刚石的制备方法的流程示意图，图2a-图2e为本发明实施例提供的一种单晶金刚石的制备方法的过程示意图。该制备方法包括步骤：
32.s1、在衬底1上制备金刚石成核层2，请参见图2a。
33.在一个具体实施例中，在衬底1上旋涂纳米晶金刚石，作为多晶金刚石生长的成核层，旋涂转速为300～1000r/min，纳米晶金刚石的晶粒尺寸为10～100nm，从而形成了金刚石成核层2。
34.具体的，衬底1包括硅、蓝宝石、碳化硅中的一种或多种。当衬底1采用硅时，硅衬底的直径为5～100nm，厚度为1～3mm。
35.s2、在所述金刚石成核层2上外延生长晶面取向均一、且表面凹凸不平的多晶金刚石层3，请参见图2b。
36.在一个具体实施例中，利用微波等离子化学气相沉淀法(microwave plasma chemical vapor deposition，mpcvd)，在ch4流量为15～30sccm，h2流量为300～600sccm，n2流量为0.3～0.6sccm，压强为70～120torr，功率为4000～6000w，生长温度为850～1100℃的条件下，在所述金刚石成核层2上外延生长多晶金刚石层3。具体的，多晶金刚石层3的厚度为0.05～1mm。
37.本实施例中，通过控制n2流量为0.3～0.6sccm来控制金刚石在成核阶段形成取向均一的晶面。
38.具体的，多晶金刚石层的晶面取向均一，其晶面包括(100)面、(111)面或(110)面，优选的，多晶金刚石的晶面为(100)面。
39.具体的，多晶金刚石层表面呈凹凸不平状，以与后续生长的金属铱形成交错分布的接触界面。
40.s3、在所述多晶金刚石层3的凹凸不平的表面上外延生长金属铱4，请参见图2c。
41.在一个具体实施例中，在所述多晶金刚石层3的表面利用磁控溅射的方法以0.5～2nm/s的速率沉积一层0.1～3μm的金属铱4。
42.本实施例中，由于多晶金刚石层3的表面为凹凸不平的，因此，金属铱4与多晶金刚石之间形成交错分布的接触界面。
43.s4、对所述金属铱4进行表面抛光处理，以露出所述多晶金刚石层3与所述金属铱4交错分布的平面，形成复合衬底5，请参见图2d。
44.在一个具体实施例中，采用机械抛光法对金属铱4进行表面抛光处理，以露出晶面取向均一的多晶金刚石晶粒，使得多晶金刚石与金属铱4相互交错存在，并且位于同一平面，形成表面包括多晶金刚石和金属铱的复合衬底5。
45.s5、在所述复合衬底5上生长单晶金刚石6，请参见图2e。
46.在一个具体实施例中，采用单晶金刚石生长工艺，利用微波等离子化学气相沉淀法，以ch4流量为15～30sccm，h2流量为300～600sccm，n2流量为0～0.6sccm，压强为110～150torr，功率为5000～6000w，生长温度为950～1200℃的条件，在所述复合衬底5表面生长单晶金刚石，从而得到大尺寸的单晶金刚石6。其中，通过控制n2流量为0～0.6sccm来控制单晶应力与生长速率，从而得到单晶金刚石。具体的，单晶金刚石的厚度为0.1～1mm，其直径与衬底的直径一致，其晶向与多晶金刚石的晶向相同。
47.在生长金刚石的时候，金刚石以露出的晶面取向均一的多晶金刚石晶粒为晶核，在复合衬底的表面进行生长单晶金刚石，之后再在金属铱上进行横向合并，从而生长得到质量较高的单晶金刚石，且生长速度较快。
48.本实施例还提供了一种单晶金刚石，该单晶金刚石由上述制备方法制得，如图2e所示，包括：衬底1、金刚石成核层2、多晶金刚石层3、金属铱4和单晶金刚石层6，其中，金刚石成核层2位于衬底1上，多晶金刚石层3位于金刚石成核层2上，金属铱4与多晶金刚石层3交错分布、且位于同一平面，单晶金刚石层6位于金属铱4和多晶金刚石层3的表面。
49.具体的，单晶金刚石的直径与衬底的直径相同，晶向与多晶金刚石的晶向相同。
50.本实施例的制备方法通过在金刚石成核层上制备多晶金刚石，并且在多晶金刚石表面制备金属铱，形成复合衬底，在复合衬底上外延单晶金刚石时，在晶面取向均一的多晶金刚石表面即可形核，避免传统单晶金刚石异质外延过程中形核阶段对衬底直流偏压的需
要，降低了成核难度，且所形成的单晶金刚石晶体取向均一，质量较高，从而实现了与现有设备以及现有mpcvd外延金刚石工艺的兼容，降低了传统单晶金刚石异质外延工艺复杂度，提高了成品率，提高了材料质量及生长效率；同时，该方法在生长成核层时可以采用尺寸较大的衬底，解决了单晶金刚石同质外延对衬底尺寸的依赖问题，容易实现英寸级大尺寸单晶金刚石，工艺成本低。
51.实施例二
52.在实施例一的基础上，结合图2a-图2e，本实施例以制备直径为50mm、厚度为0.1mm的单晶金刚石为例对其制备方法进行说明。
53.该制备方法包括步骤：
54.s1、在衬底1上制备金刚石成核层2，请参见图2a。
55.具体的，在硅衬底上旋涂纳米晶金刚石，作为多晶金刚石生长的成核层，形成金刚石成核层，其中，硅衬底直径为50mm，厚度为3mm，纳米晶金刚石的晶粒尺寸为10nm，旋涂转速为300r/min。
56.s2、在所述金刚石成核层2上外延生长晶面取向均一、且表面凹凸不平的多晶金刚石层3，请参见图2b。
57.具体的，利用mpcvd，以ch4流量为20sccm，h2流量为380sccm，n2流量为0.45sccm，压强为80torr，功率为6000w，生长温度为950℃的条件，在金刚石成核层2上外延生长取向为(100)面的多晶金刚石，形成表面凹凸不平、厚度为0.08mm的多晶金刚石层3。
58.s3、在所述多晶金刚石层3的凹凸不平的表面上外延生长金属铱4，请参见图2c。
59.具体的，利用磁控溅射的方法，在多晶金刚石的凹凸不平的表面上以1nm/s的速率沉积一层金属铱，其厚度为0.1μm。
60.s4、对所述金属铱4进行表面抛光处理，以露出所述多晶金刚石层3与所述金属铱4交错分布的平面，形成复合衬底5，请参见图2d。
61.具体的，采用机械抛光对金属铱4表面进行处理，露出(100)晶向的金刚石晶粒，使(100)面多晶金刚石和铱相互交错存在，且二者位于同一平面，形成表面包括多晶金刚石和金属铱的硅/金刚石/铱复合衬底5。
62.s5、在所述复合衬底5上生长单晶金刚石6，请参见图2e。
63.具体的，利用mpcvd法，以ch4流量为20sccm，h2流量为380sccm，n2流量为0sccm，压强为130torr，功率为5500w，生长温度为1100℃的条件，在复合衬底5的表面即在多晶金刚石与铱金属表面生长单晶金刚石，得到大尺寸的单晶金刚石6，其中，单晶金刚石6的厚度为0.1mm，直径与硅衬底的直径相同，为50mm。
64.实施例三
65.在实施例一的基础上，结合图2a-图2e，本实施例以制备直径为50mm、厚度为1mm的单晶金刚石为例对其制备方法进行说明。
66.该制备方法包括步骤：
67.s1、在衬底1上制备金刚石成核层2，请参见图2a。
68.具体的，在硅衬底上旋涂纳米晶金刚石，作为多晶金刚石生长的成核层，形成金刚石成核层，其中，硅衬底直径为50mm，厚度为1.5mm，纳米晶金刚石的晶粒尺寸为100nm，旋涂转速为1000r/min。
69.s2、在所述金刚石成核层2上外延生长晶面取向均一、且表面凹凸不平的多晶金刚石层3，请参见图2b。
70.具体的，利用mpcvd，以ch4流量为16sccm，h2流量为384sccm，n2流量为0.3sccm，压强为90torr，功率为6000w，生长温度为930℃的条件，在金刚石成核层2上外延生长取向为(100)面的多晶金刚石，形成表面凹凸不平、厚度为1mm的多晶金刚石层3。
71.s3、在所述多晶金刚石层3的凹凸不平的表面上外延生长金属铱4，请参见图2c。
72.具体的，利用磁控溅射的方法，在多晶金刚石的凹凸不平的表面上以2nm/s的速率沉积一层金属铱4，其厚度为3μm。
73.s4、对所述金属铱4进行表面抛光处理，以露出所述多晶金刚石层3与所述金属铱4交错分布的平面，形成复合衬底5，请参见图2d。
74.具体的，采用机械抛光对金属铱5表面进行处理，露出(100)晶向的金刚石晶粒，使(100)面多晶金刚石和铱相互交错存在，且二者位于同一平面，形成表面包括多晶金刚石和金属铱的硅/金刚石/铱复合衬底5。
75.s5、在所述复合衬底5上生长单晶金刚石6，请参见图2e。
76.具体的，利用mpcvd法，以ch4流量为20sccm，h2流量为380sccm，n2流量为0sccm，压强为130torr，功率为5500w，生长温度为1100℃的条件，在复合衬底5的表面即在多晶金刚石与铱金属表面生长单晶金刚石，得到大尺寸的单晶金刚石6，其中，单晶金刚石6的厚度为1mm，直径与硅衬底的直径相同，为50mm。
77.实施例四
78.在实施例一的基础上，结合图2a-图2e本实施例以制备直径为50mm、厚度为1mm的单晶金刚石为例对其制备方法进行说明。
79.该制备方法包括步骤：
80.s1、在衬底1上制备金刚石成核层2，请参见图2a。
81.具体的，在硅衬底上旋涂纳米晶金刚石，作为多晶金刚石生长的成核层，形成金刚石成核层2，其中，硅衬底直径为75mm，厚度为3mm，纳米晶金刚石的晶粒尺寸为50nm，旋涂转速为800r/min。
82.s2、在所述金刚石成核层2上外延生长晶面取向均一、且表面凹凸不平的多晶金刚石层3，请参见图2b。
83.具体的，利用mpcvd，以ch4流量为20sccm，h2流量为380sccm，n2流量为0.5sccm，压强为70torr，功率为6000w，生长温度为1050℃的条件，在金刚石成核层2上外延生长取向为(100)面的多晶金刚石，形成表面凹凸不平、厚度为0.08mm的多晶金刚石层3。
84.s3、在所述多晶金刚石层3的凹凸不平的表面上外延生长金属铱4，请参见图2c。
85.具体的，利用磁控溅射的方法，在多晶金刚石的凹凸不平的表面上以0.5nm/s的速率沉积一层金属铱4，其厚度为0.6μm。
86.s4、对所述金属铱4进行表面抛光处理，以露出所述多晶金刚石层3与所述金属铱4交错分布的平面，形成复合衬底5，请参见图2d。
87.具体的，采用机械抛光对金属铱4表面进行处理，露出(100)晶向的金刚石晶粒，使(100)面多晶金刚石和铱相互交错存在，且二者位于同一平面，形成表面包括多晶金刚石和金属铱的硅/金刚石/铱复合衬底5。
88.s5、在所述复合衬底5上生长单晶金刚石6，请参见图2e。
89.具体的，利用mpcvd法，以ch4流量为20sccm，h2流量为380sccm，n2流量为0sccm，压强为130torr，功率为6000w，生长温度为1150℃的条件，在复合衬底5的表面即在多晶金刚石与铱金属表面生长单晶金刚石，得到大尺寸的单晶金刚石6，其中，单晶金刚石6的厚度为0.5mm，直径与硅衬底的直径相同，为75mm。
90.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。