一种大尺寸高质量金刚石晶体及其应用的制作方法

本技术涉及一种大尺寸高质量金刚石晶体及其应用，属于金刚石制备。

背景技术：

1、随着工业界对于材料性能需求的不断提高，金刚石作为一种具有卓越物理性质的材料，已经在多个领域展现出了广泛的应用前景。然而，金刚石的扩径困难一直以来都是其生长制备过程中的一大难题，限制了大尺寸单晶金刚石的获得。

2、传统的金刚石生长方法主要包括化学气相沉积（cvd）和高温高压合成（hpht）两种。尽管这些方法能够在一定程度上实现金刚石的生长，但难以控制金刚石晶体的尺寸和质量，尤其是难以获得大尺寸的单晶金刚石。面对这一问题，科研人员已经提出了多种解决思路，其中以异质外延和拼接法生长为主。

3、异质外延方法主要通过在非金刚石衬底表面沉积铱或其复合材料，再进行金刚石生长，以期实现金刚石晶体的扩径。然而，这种方法受到了晶格匹配性和晶体质量等因素的限制，往往难以获得高质量的单晶金刚石。

4、相比之下，拼接法生长作为一种备受关注的方法，主要是基于同质外延原理，通过将多个小尺寸的金刚石晶体拼接在一起，在其界面处再次进行生长，从而实现晶体的尺寸扩大。这种方法相对于异质外延而言，更易于获得高质量的单晶金刚石。然而，当前的拼接法生长过程中仍然存在一些问题，尤其是在拼接缝处容易出现结晶质量不均匀、多晶、裂缝等质量问题，这一直是拼接法生长过程中的痛点。

5、目前也报道了一些金刚石拼接生长改进生长方法，例如cn115874282a中先将金刚石籽晶进行预生长，以台阶流方向偏差为参考依据，选出方向偏差在10°内的样品进行拼接，但是该生长方法并未关注拼接缝处的晶体质量；cn115261982a中将多个单晶金刚石籽晶利用侧面键合提前拼接为马赛克衬底，对衬底进行同一抛光工艺处理，通过微波等离子体、化学气相沉积进行单晶金刚石外延生长，该方法难以有效抑制晶向不匹配导致的拼接缝处晶体错配；cn113463192b中在拼接生长之前，预先在拼接缝处通过磁控溅射或者真空镀膜溅射一层铱膜进行金刚石单晶的制备，该方法本质上类似于异质外延，不利于获得高质量金刚石晶体。故目前难以从本质上解决金刚石拼接生长中拼接缝处产生的低质量金刚石，从而无法得到台阶流稳定且高结晶质量的大尺寸金刚石晶体。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，提供了一种大尺寸高质量金刚石晶体，该晶体表面能够形成稳定的台阶流，提高尺寸的同时，晶体原子台阶的均一性和结晶质量高，能够提高金刚石制备的器件的稳定性。

2、根据本技术的一个方面，提供了一种大尺寸高质量金刚石晶体，所述金刚石晶体通过拼接法生长得到，所述金刚石晶体的直径不小于2英寸，其包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面和/或所述第二表面具有多个原子台阶，所述原子台阶的高度为10~200nm，宽度为2~60μm。

3、可选地，所述原子台阶的高度为80~200nm，宽度为20~60μm。

4、可选地，多个所述原子台阶的高度差不大于19nm，多个所述原子台阶的宽度差不大于4.1μm；

5、优选的，多个所述原子台阶的高度差不大于16nm，多个所述原子台阶的宽度差不大于3.7μm；

6、更优选的，多个所述原子台阶的高度差不大于10nm，多个所述原子台阶的宽度差不大于2.1μm。

7、更优选的，多个所述原子台阶的高度差不大于8nm，多个所述原子台阶的宽度差不大于1.5μm。

8、可选地，所述第一表面和第二表面不同位置处的xrd半峰宽均不大于140arcsec，优选的，所述第一表面和第二表面不同位置处的xrd半峰宽均不大于120arcsec；

9、优选的，所述第一表面和第二表面不同位置处的xrd半峰宽的差值均不大于35arcsec；更优选的，所述第一表面和第二表面不同位置处的xrd半峰宽的差值均不大于15arcsec。

10、可选地，所述第一表面和第二表面不同位置处的拉曼半峰宽均不大于4.3cm-1；优选的，所述第一表面和第二表面不同位置处的拉曼半峰宽均不大于4.0 cm-1。

11、优选的，所述第一表面和第二表面不同位置处的拉曼半峰宽的差值均不大于1cm-1。

12、可选地，所述第一表面和/或所述第二表面与所述金刚石晶体的（100）面的夹角为0~0.5°，优选为0~0.2°。

13、可选地，所述第一表面和/或所述第二表面与（311）面的夹角为0~0.5°，优选为0~0.2°。

14、可选地，所述金刚石晶体的厚度为200~1000μm，优选为300~600μm。

15、可选地，所述金刚石晶体的直径不小于4英寸，优选的，所述金刚石晶体的直径不小于6英寸，更优选的，所述金刚石晶体的直径不小于8英寸。

16、根据本技术的另一个方面，提供了上述任一项所述的大尺寸高质量金刚石晶体在半导体器件和量子通讯中的应用。

17、上述任一项所述的大尺寸金刚石晶体的制备方法，包括下述步骤：

18、（1）挑选金刚石晶片：所述金刚石晶片的六面均为（100）面，不同金刚石晶片的厚度差＜5μm，所述金刚石晶片生长面的xrd摇摆曲线半峰宽≤400arcsec、拉曼半峰宽≤10cm-1；

19、且所述金刚石晶片的（100）面和/或（311）面进行xrd的φ扫描和x扫描时，满足下述条件a和b：

20、单个金刚石晶片的各方向数值：0°＜φ＜90°、0.5°≤|χ1|＜6°、|χ2|＜6°，

21、不同金刚石晶片的各方向偏差值：δφ＜2°、δχ1＜0.5°、δχ2＜0.5°，

22、其中χ1为测试点1和测试点3的连线相对于晶格的取向偏差，χ2为测试点2和测试点4的连线相对于晶格的取向偏差；

23、（2）将若干个金刚石晶片排列作为拼接衬底，通过化学气相沉积法进行金刚石生长，即得大尺寸金刚石。

24、本技术中不同金刚石晶片的厚度差＜5μm能够保证后续金刚石晶体生长的一致性，通过xrd半峰宽和拉曼半峰宽选取晶体质量较好的金刚石晶片作为籽晶，并且通过φ、χ1和χ2值选取晶型一致的金刚石晶片，实现对籽晶质量的优化，从而提高金刚石拼接缝处的晶体质量，提高金刚石整体的质量和尺寸，获得大尺寸、结晶质量好且原子台阶均匀排列的金刚石晶体。

25、步骤（2）中的若干个金刚石晶片是指两个以上金刚石晶片，本领域技术人员可根据需要制备的金刚石晶体的大小及金刚石晶片（籽晶）的大小选择合适的数量即可。

26、金刚石晶体的晶面四个边角处存在测试点1、测试点2、测试点3和测试点4，测试点1和测试点3呈对角分布，测试点2和测试点4呈对角分布，且测试点1和测试点3的连线与测试点2和测试点4的连线在金刚石晶体的中心相交，上述xrd的φ扫描和x扫描中，首先对金刚石晶体的晶面进行φ扫描，找到最强衍射峰；之后旋转金刚石晶体以使得最强衍射峰的φ值置于0~90°之间，定义此时与x射线方向连线的夹角＜45°的分别为测试点2和测试点4；最后对金刚石晶体的晶面进行χ扫描即可得到χ1和χ2，根据单个金刚石晶片的各方向数值的判断标准选取多个符合要求的金刚石晶片，并且记录每个金刚石晶片具体的φ、χ1和χ2值。

27、在金刚石拼接生长时，对符合单个金刚石晶片的各方向数值要求的金刚石晶片再进行挑选，以使得不同金刚石晶片的个方向偏差值满足上述要求，将上述符合要求的若干个金刚石晶片排列即可进行金刚石的生长，以得到大尺寸高质量的金刚石晶体。

28、单个金刚石晶片的各方向数值用于保证单个金刚石晶片能够形成稳定的台阶流，不同金刚石晶片的各方向偏差值用于保证不同金刚石晶片形成的稳定台阶流能够在拼接缝处弥合，避免在拼接缝处出现多晶、裂缝等问题。

29、可选地，所述金刚石晶片生长面的xrd摇摆曲线半峰宽≤200arcsec、拉曼半峰宽≤6cm-1。

30、上述指标能够进一步提高金刚石晶体的质量，实现大尺寸金刚石质量的优化。

31、可选地，单个金刚石晶片的各方向数值中，30°＜φ＜60°。

32、φ过大或过小会使得金刚石晶体台阶流方向与金刚石晶片四周的夹角过小，不利于拼接缝的弥合，因此30°＜φ＜60°内能够进一步提高拼接缝处的结晶质量，得到无拼接缝且具有稳定台阶流的大尺寸金刚石晶体。

33、可选地，所述金刚石晶片的任一边边长≥4mm。

34、若是采用相同数量的金刚石晶片进行晶体制备，该边长有利于提高最终金刚石晶体的尺寸；若是制备相同尺寸的金刚石晶体，该尺寸能够减小籽晶数量，便于工业化生产操作，并提高批次生产的金刚石晶体的一致性。

35、可选地，所述金刚石晶片的厚度为200~1000μm。

36、可选地，所述金刚石晶片的表面粗糙度≤100nm，优选的，所述金刚石晶片的表面粗糙度≤20nm。

37、可选地，所述金刚石晶片的ttv≤10μm。

38、金刚石晶片的表面粗糙度越小或ttv越小，生长得到的金刚石晶体质量越好，并且结晶质量越均匀，相同尺寸下金刚石晶体的可利用面积越大，能够提高金刚石晶体的利用率。

39、可选地，所述化学气相沉积法的生长温度为850~1200℃，生长气压为80~240torr，生长时间为10~50h；优选的，所述化学气相沉积法的生长温度为1100~1150℃，生长气压为80~200torr，优选为120~200torr。

40、可选地，所述化学气相沉积法中通入氢气、氩气、氧气、甲烷和氮气进行金刚石生长，所述氢气流量为200~1000sccm，所述氩气流量为1~100sccm，所述氧气流量为0.1~10sccm，所述甲烷流量占氢气流量与氩气流量总体积的2~10%，所述氮气流量为气体总流量的1~100ppm。

41、可选地，所述化学气相沉积之前，对腔体抽真空至1×10-6pa以下，保压20~30min，之后将氢气流量调整为200~500sccm，氩气流量调整到10~50sccm，保持10~60min，再进行金刚石生长。

42、在化学气相沉积之前进行抽真空和通入氢气和氩气能够对金刚石的生长腔室及金刚石表面进行清洁，避免杂质影响金刚石的长晶，从而进一步提高金刚石晶体的质量。

43、本技术的有益效果包括但不限于：

44、1．本技术的大尺寸高质量金刚石晶体，能够对拼接缝处进行弥合使得整块晶体的结晶质量高，且能够形成稳定的台阶流，原子台阶均匀排列且均一性高，能够提高金刚石制备的器件的稳定性。

45、2．本技术的大尺寸高质量金刚石晶体，在拼接缝处的晶体与其余区域的晶体质量一直，径向和轴向上晶体的质量分布均匀，无多晶和裂缝问题，因此晶体的可利用面积增加，金刚石晶体的利用率提高。