大尺寸单晶金刚石生长方法及生长用复合基底
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。
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2中，刻蚀微波功率为1.5kW，气压为120mbar，氢气流量为200sccm，氧气流量为2sccm，刻蚀时间为15～60min。另外，为去除掉衬底表面的有机物，在刻蚀前，可将钽酸钾衬底分别放在乙醇、丙酮和去离子水中并且分别超声清洗5～10min，然后采用干燥的氮气吹干。
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3中，金属铱缓冲层为单晶薄膜层，并且厚度为在20～300nm。采用磁控溅射、电子束蒸发、有机物化学气相沉积、脉冲激光磁控溅射以及分子束外延等手段，在钽酸钾衬底上外延生长金属铱缓冲层。
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4中，常温溅射的铱膜厚度为50nm。
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5中，偏压增强形核所施加偏压为-150～-300V，控制形核时间在5～30min。
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6中，金刚石外延层的厚度控制在1～5μm。
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7中，图形化处理过程可采用光刻或者激光，激光可以是飞秒、皮秒、纳秒激光；图形化处理的加工图案为长条形、环形或井字形，加工凹槽宽度为1～50μm，凹槽深度为1～5μm。
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7中，图形化处理过程可采用飞秒激光，飞秒激光脉冲能量为10～50nJ，激光波长为515nm，脉宽为170fs，重复频率为100kHz，扫描速度为5mm/s。
<复合基底>
本发明还提供一种大尺寸单晶金刚石生长用复合基底，其特征在于，从下至上依次包括：钽酸钾衬底、金属铱缓冲层、金刚石形核层、金刚石外延层、图形化处理层。
优选地，本发明所涉及的大尺寸单晶金刚石生长用复合基底还可以具有这样的特征：钽酸钾衬底采用晶面取向为(100)的钽酸钾KTaO3单晶材料制成，并且表面粗糙度Ra控制在10nm以内；金属铱缓冲层的厚度为20～300nm；金刚石形核层的厚度为1～10nm；金刚石外延层的厚度为1～5μm；图形化层的厚度为1～5μm。
发明的作用与效果
本发明所提供的大尺寸单晶金刚石生长方法及生长用复合基底，采用钽酸钾单晶作为衬底，并进行等离子体刻蚀，然后采用磁控溅射设备，在600～1000℃高温下，进行铱金属缓冲层的生长，再在常温下在所得衬底的四周的侧面以及底面溅射生长一层铱膜，并且该铱膜与铱金属缓冲层在生长面四周边缘处交接，接着，向MPCVD内通入甲烷和氢气，在偏压条件下生长形核层，随后关掉偏压，在形核层上生长金刚石外延层，再进行图形化处理，最后进行异质外延单晶金刚石生长，通过这样的方法，使得各层晶格常数失配以及热膨胀系数失配大大降低，并且有效提高了异质外延金刚石的生长质量，能够生长得到得到大尺寸、高质量的单晶金刚石。
附图说明
图1是本发明所涉及的大尺寸单晶金刚石生长用复合基底和生长的大尺寸单晶金刚石的结构示意图；
图2是本发明所涉及的大尺寸单晶金刚石生长方法的流程图；
图3是本发明所涉及的铱金属缓冲层的X射线衍射图(2θ扫描)；
图4是本发明所涉及的铱金属缓冲层生长后的表面形貌图；
图中各标号含义为：
10-大尺寸单晶金刚石生长用复合基底，11-钽酸钾衬底，12-金属铱缓冲层，13-金刚石形核层，14-金刚石外延层，15-图形化处理层，20-大尺寸单晶金刚石。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的大尺寸单晶金刚石生长方法及生长用复合基底作详细阐述。
<实施例一>
如图1和2所示，本实施例所提供的大尺寸单晶金刚石生长方法包括如下步骤：
步骤1.利用切割设备将(100)取向的单晶钽酸钾棒料切割成30*30mm的方形衬底，将衬底一面放在抛光机上进行抛光，使得衬底表面粗糙度低于10nm，得到钽酸钾衬底11。
步骤2.将钽酸钾衬底11分别放在乙醇、丙酮和去离子水中分别超声清洗5min，以去除掉衬底表面的有机物，然后采用干燥的氮气吹干。将清洗后的钽酸钾衬底11放入MPCVD进行刻蚀，刻蚀时微波功率1.5kW，气压120mbar，氢气流量200sccm，氧气流量2sccm，刻蚀时间30min。
步骤3.刻蚀完成后，取出钽酸钾衬底11放入磁控溅射设备中，在钽酸钾衬底的上表面生长铱金属缓冲层12。具体地，选用纯度为(99.99％)的2英寸的铱靶作为靶材，靶材和衬底间距为180mm，样品台旋转速率为10r/min，衬底温度为850℃，采用温度控制反馈系统将温度的变化控制在±5℃以内；采用直流电源进行溅射，溅射功率100W，腔体内气压保持在3mTorr，氩气流量保持在15sccm，溅射铱膜的厚度为150nm，此时铱膜生长速率为5.7nm/min。使用X射线衍射仪对生长的铱金属缓冲层12结晶质量进行表征(图3)，铱金属缓冲层12的形貌采用扫描电子显微镜观测(图4)。
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50nm的铱膜(图2中未显示)，并且常温溅射的铱膜与高温溅射的铱金属缓冲层12在生长面四周边缘处交接。
步骤5.向具有偏压增强形核功能的MPCVD内通入甲烷和氢气，在偏压为-250V的条件下，在铱金属薄膜12的表面生长形核层13，生长时间为30min。
步骤6.关掉偏压，采用MPCVD在形核层13上生长5μm的金刚石外延层14，使用微波功率3.5kW,气压100mbar,氢气流量200sccm，甲烷流量5sccm；
步骤7.采用飞秒激光对金刚石外延层的上表面进行图形化处理，形成图形化层15，得到生长用复合基底10；飞秒激光脉冲能量为30nJ，激光波长515nm，脉宽170fs，重复频率100kHz，扫描速度5mm/s，图形化层的厚度为3μm。
步骤8.将生长用复合基底10采用乙醇、丙酮和其离子水清洗干净以后再次放入MPCVD，在微波功率3.5kW，气压100mbar，氢气流量200sccm，甲烷流量200sccm，甲烷流量8sccm，生长温度1000℃温度下生长10h，得到大尺寸单晶金刚石20。
<实施例二>
如图1和2所示，本实施例所提供的大尺寸单晶金刚石生长方法包括如下步骤：
步骤1.利用切割设备将(100)取向的单晶钽酸钾棒料切割成4英寸大小的衬底，将衬底一面放在抛光机上进行抛光，使得衬底表面粗糙度低于10nm，得到钽酸钾衬底11。
步骤2.将钽酸钾衬底11分别放在乙醇、丙酮和去离子水中分别超声清洗10min，以去除掉衬底表面的有机物，然后采用干燥的氮气吹干。将清洗后的钽酸钾衬底11放入MPCVD进行刻蚀，刻蚀时微波功率1.5kW，气压120mbar，氢气流量200sccm，氧气流量2sccm，刻蚀时间30min。
步骤3.刻蚀完成后，取出钽酸钾衬底11放入磁控溅射设备中，在钽酸钾衬底的上表面生长铱金属缓冲层12。具体地，选用纯度为(99.99％)的2英寸的铱靶作为靶材，靶材和衬底间距为180mm，样品台旋转速率为10r/min，衬底温度为850℃，采用温度控制反馈系统将温度的变化控制在±5℃以内；采用直流电源进行溅射，溅射功率70W，腔体内气压保持在3mTorr，氩气流量保持在15sccm，溅射铱膜的厚度为150nm，此时铱膜生长速率为4.25nm/min。
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50nm的铱膜(图2中未显示)，并且常温溅射的铱膜与高温溅射的铱金属缓冲层12在生长面四周边缘处交接。
步骤5.向具有偏压增强形核功能的MPCVD内通入甲烷和氢气，在偏压为-300V的条件下，在铱金属薄膜12的表面生长形核层13，生长时间为10min。
步骤6.关掉偏压，采用MPCVD在形核层13上生长5μm的金刚石外延层14，使用微波功率3.5kW，气压100mbar，氢气流量200sccm，甲烷流量5sccm；
步骤7.采用飞秒激光对金刚石外延层的上表面进行图形化处理，形成图形化层15，得到生长用复合基底10；飞秒激光脉冲能量为50nJ，激光波长515nm，脉宽170fs，重复频率100kHz，扫描速度5mm/s，图形化层的厚度为5μm。
步骤8.将生长用复合基底10采用乙醇、丙酮和其离子水清洗干净以后再次放入MPCVD，在微波功率3.5kW，气压100mbar，氢气流量200sccm，甲烷流量200sccm，甲烷流量8sccm，生长温度1000℃温度下生长20h，得到大尺寸单晶金刚石20。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的大尺寸单晶金刚石生长方法及生长用复合基底并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
