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技术

本发明专利技术公开了一种基于铱

【技术实现步骤摘要】
一种基于铱
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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


[0001]本专利技术涉及一种基于铱
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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


技术介绍

[0002]新一代深紫外光电探测器、5G通信、及军用雷达等高新
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。
[0003]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
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8和Diamond and Related Materials 17（2008）1035
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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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种基于铱
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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。
[0006]本专利技术直接通过物理和化学手段对单晶硅衬底进行预处理，得到易于金属氧化物外延生长的最底层衬底，有效提高硅表面金属氧化物外延生长质量；并在金属铱单晶膜表面引入含有sp2和sp3杂化键的非晶碳膜，增加形核位点，提高形核密度，从而实现大尺寸单晶金刚石材料的制备。与其他提高单晶金刚石异质外延形核密度的方法相比，其优势在于：一方面，对已抛光过的单晶硅衬底进行物理和化学处理，去掉其表面二氧化硅薄层，能够降低金属氧化物膜和硅表面氧化层的物性差异，较好实现单晶硅上金属氧化物单晶薄膜的可控外延生长；另一方面，在铱复合衬底表面制备非晶碳薄膜，通过改变碳离子激发能量调控非晶碳sp2和sp3杂化键含量和有序度，在铱薄膜表面形成局部有序的非晶碳预种植层，提高后续偏压形核时等离子体轰击衬底表面的碳氢活性基团浓度，加快碳离子进入铱膜形成过饱和固溶体的溶解
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析出过程，增加形核位点，促进高密度均匀形核并增强金刚石核与异质外延衬底的结合力，从而加速金刚石在金属铱表面快速原位形成微核并扩展长大，直至实现相互接触合并形成单晶金刚石，这对于高质量大尺寸单晶金刚石半导体晶圆材料的制备具有重要意义。
[0007]本专利技术提供了一种基于铱
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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，首先将单晶硅（100）衬底通过酸洗、丙酮（乙醇）清洗、去离子水超声清洗、离子束刻蚀方法进行预处理，去除表面氧化层；在处理后的单晶硅衬底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复合衬底表面制备局部有序的非晶碳预种植层，并对其依次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
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非晶碳预种植层衬底表面偏压增强形核与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。
[0008]上述基于铱
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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，具体包括以下步骤：（1）将单晶硅100衬底通过酸洗、丙酮或乙醇清洗、去离子水超声清洗、离子束刻蚀进行预处理，去除掉其表面二氧化硅层，得到异质外延的最底层衬底；（2）将预处理后的单晶硅衬底放入真空等离子体镀膜设备中，在衬底表面首先外延生长纳米厚度的YSZ单晶膜缓冲层，并在保护气氛下对其真空退火处理；YSZ单晶膜的制备方法包括电子束蒸发、激光熔融蒸发、分子束外延沉积或磁控溅射技术；所制备YSZ薄膜晶体取向与单晶硅100衬底的晶向相同；（3）在YSZ单晶膜缓冲层表面外延生长一层铱单晶膜，形成铱/YSZ复合衬底，铱单晶膜的制备方法包括电子束蒸发、分子束外延沉积或磁控溅射技术；铱薄膜晶体取向与YSZ薄膜晶向一致；（4）采用高纯度石墨为靶材，在铱/YSZ复合衬底表面制备非晶碳膜，通过调控sp2和sp3杂化碳键的含量和有序度，使其在铱膜表面形成局部有序的非晶碳预种植层，即铱
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非晶碳预种植层；（5）对铱
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非晶碳预种植层进行保护气氛下真空退火处理，冷却至室温后对其进行减薄抛光处理，得到光滑平整的铱
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非晶碳预种植层表面；（6）采用化学气相沉积方法在铱
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非晶碳预种植层表面偏压增强形核与外延生长单晶金刚石膜，激光切割去除复合衬底，得到异质外延的大尺寸单晶金刚石。
[0009]上述制备方法中，所述步骤（1）中，酸洗过程中所用酸为氢氟酸、硝酸或两者混合
酸，酸洗1~5 s；丙酮或乙醇清洗5~20 min；上述制备方法中，所述步骤（2）中，YSZ单晶膜缓冲层的厚度为10~100 nm，沉积速率大于10 nm/min，生长温度为600~1100 ℃；保护气氛为惰性气体或氮气，真空退火温度为200~800 ℃；上述制备方法中，所述步骤（3）中，铱单晶膜的厚度为50~200 nm，沉积速率小于5 nm/min，生长温度为400~1000 ℃。
[0010]上述制备方法中，所述步骤（4）中，铱
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非晶碳预种植层制备方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于铱
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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，其特征在于包括下列步骤：首先将单晶硅100衬底通过酸洗、丙酮或乙醇清洗、去离子水超声清洗、离子束刻蚀方法进行预处理，去除表面氧化层；在处理后的单晶硅衬底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复合衬底表面制备局部有序的非晶碳预种植层，并对其依次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
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非晶碳预种植层衬底表面偏压增强形核与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。2.根据权利要求1所述的基于铱
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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，其特征在于包括以下步骤：（1）将单晶硅100衬底通过酸洗、丙酮或乙醇清洗、去离子水超声清洗、离子束刻蚀进行预处理，去除掉其表面二氧化硅层，得到异质外延的最底层衬底；（2）将预处理后的单晶硅衬底放入真空等离子体镀膜设备中，在衬底表面首先外延生长纳米厚度的YSZ单晶膜缓冲层，并在保护气氛下对其真空退火处理；YSZ单晶膜的制备方法包括电子束蒸发、激光熔融蒸发、分子束外延沉积或磁控溅射技术；所制备YSZ薄膜晶体取向与单晶硅100衬底的晶向相同；（3）在YSZ单晶膜缓冲层表面外延生长一层铱单晶膜，形成铱/YSZ复合衬底，铱单晶膜的制备方法包括电子束蒸发、分子束外延沉积或磁控溅射技术；铱薄膜晶体取向与YSZ薄膜晶向一致；（4）采用高纯度石墨为靶材，在铱/YSZ复合衬底表面制备非晶碳膜，通过调控sp2和sp3杂化碳键的含量和有序度，使其在铱膜表面形成局部有序的非晶碳预种植层，即铱
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非晶碳预种植层；（5）对铱
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非晶碳预种植层进行保护气氛下真空退火处理，冷却至室温后对其进行减薄抛光处理，得到光滑平整的铱
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非晶碳预种植层表面；（6）采用化学气相沉积方法在铱
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非晶碳预种植层表面偏压增强形核与外延生长单晶金刚石膜，激光切割去除复合衬底，得到异质外延的大...

【专利技术属性】
技术研发人员：周兵，李俊峰，于盛旺，王永胜，马永，郑可，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：