[发明专利]大尺寸单晶金刚石生长方法及生长用复合基底

说明书

本发明提供一种大尺寸单晶金刚石生长方法及生长用复合基底，能够生长得到高质量、大尺寸的单晶金刚石。本发明所提供的生长方法，包括：步骤1.采用钽酸钾单晶材料作为衬底；步骤2.将钽酸钾衬底放入MPCVD进行等离子体刻蚀；步骤3.放入磁控溅射设备中，高温下在钽酸钾衬底的上表面进行铱金属缓冲层的生长；步骤4.对步骤3所得衬底的四周的侧面以及底面采用常温溅射的方法生长一层铱膜；步骤5.向MPCVD内通入甲烷和氢气，在偏压条件下，生长形核层；步骤6.关掉偏压，生长金刚石外延层；步骤7.对金刚石外延层的上表面进行图形化处理，得到生长用复合基底；步骤8.将生长用复合基底放入MPCVD进行异质外延单晶金刚石生长。

技术领域

本发明属于金刚石膜制备技术领域，具体涉及一种大尺寸单晶金刚石生长方法及生长用复合基底。

背景技术

金刚石具有的优异的力学、热学、电学、光学、声学及化学特性，使得其在许多高新技术领域有着广阔的应用前景，如热沉、光学窗口、光导探测器等。然而，天然金刚石往往含有氮杂质和生长缺陷，导致金刚石质量下降，而且存在数量稀少、价格昂贵以及尺寸小等问题，远不能满足人们对其需求，所以希望通过人工合成的方法来制备高质量英寸级的金刚石薄膜。

目前，有两种主要的合成金刚石晶体的方法：高压高温(HPHT)和化学气相沉积(CVD)。对于HPHT方法，很难生长大尺寸的单晶金刚石，其晶体尺寸通常小于10×10mm²，而CVD方法是生产大尺寸金刚石膜的可行方法。目前，有三种典型的CVD方法来生长金刚石膜：直流(DC)电弧等离子体喷射法，热丝法和微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)。

直流电弧等离子体喷射技术具有生长速率高且无电极污染的优点，但金刚石膜的厚度不均匀且内部应力较大。由于温度分布均匀，热丝技术可用于生长大尺寸的金刚石薄膜，但是生长速率相对较低，金刚石薄膜还有可能被灯丝中的杂质污染。

MPCVD法生长金刚石可分为同质外延生长和异质外延生长。同质外延生长是在单晶金刚石衬底上外延生长金刚石，生长的单晶金刚石质量最好，但该方法很难生长出英寸级的大尺寸单晶金刚石。异质外延是在硅、蓝宝石以及其它单晶上生长金刚石，但该方法生长出来的金刚石一般为多晶金刚石，很难得到单晶金刚石。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种大尺寸单晶金刚石生长方法及生长用复合基底，能够生长得到高质量、大尺寸的单晶金刚石。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

方法

本发明提供一种大尺寸单晶金刚石生长方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.采用钽酸钾KTaO₃单晶材料作为衬底；步骤2.将钽酸钾衬底放入MPCVD进行等离子体刻蚀；步骤3.刻蚀完成后，取出钽酸钾衬底放入磁控溅射设备中，600～1000℃高温下，在钽酸钾衬底的上表面进行铱金属缓冲层的生长，得到上表面生长有铱金属缓冲层的衬底；步骤4.对步骤3所得衬底的四周的侧面以及底面采用常温溅射的方法生长一层铱膜，并且常温溅射的铱膜与高温溅射的铱金属缓冲层在生长面四周边缘处交接，形成导电层；步骤5.向MPCVD内通入甲烷和氢气，在偏压条件下，于铱金属缓冲层的表面生长形核层；步骤6.关掉偏压，采用MPCVD在形核层上生长金刚石外延层；步骤7.对金刚石外延层的上表面进行图形化处理，形成图形化层，得到生长用复合基底；步骤8.将生长用复合基底放入MPCVD进行异质外延单晶金刚石生长，得到大尺寸单晶金刚石。

优选地，本发明所涉及的大尺寸单晶金刚石生长方法还可以具有这样的特征：在步骤1中，采用的钽酸钾单晶材料的晶面取向为(100)，衬底表面粗糙度Ra控制在10nm以内。