本發(fā)明涉及單晶或具有一定結構的均勻多晶材料的接合領域，具體涉及一種金剛石拼接生長的方法。

背景技術：

1、金剛石因其具有高導熱系數、高擊穿電場、高載流子遷移率等特點，已成為半導體材料中最具發(fā)展前景的材料之一。然而，與其他半導體材料(如si、sic、gan)相比，金剛石應用的最大障礙是缺乏英寸級高質量的單晶片。

2、制備大尺寸單晶金剛石晶片的主要方法有異質外延、三維生長、拼接生長等，其中拼接生長是目前所有制備途徑中最常用的方法。拼接法又稱馬賽克(mosaic)法，即通過多個小面積的常規(guī)單晶金剛石籽晶緊密排列，在上方沉積生長為一片大面積的單晶金剛石，來實現大尺寸單晶的制備方法。拼接法生長在制備大面積單晶金剛石方面具有明顯優(yōu)勢，能夠制備英寸級單晶金剛石晶片，但拼接法也存在缺點，拼接接縫處富集位錯、多晶、界面、微裂紋等多種形式的缺陷，導致力學強度、光學透過性、電學性能等受到影響，無法獲得高質量的大尺寸金剛石，限制了大尺寸拼接金剛石的先進應用。

3、現有技術中也有一些關于拼接生長大尺寸單晶金剛石方法的專利，如公開號為cn110184653a的中國專利申請?zhí)岢鲈趦蓚€籽晶拼接縫處刻槽后進行拼接，或者是如公開號為cn117779205a的中國專利申請?zhí)岢鰧ζ唇犹幍膙形槽進行優(yōu)先生長修復進行拼接。這些拼接方法都是通過改造拼接縫處的拼接槽的結構來實現兩個籽晶的拼接生長，但存在以下問題：

4、一、以上方法得到的拼接襯底在拼接處的拼接槽的槽口向上，拼接縫較大，這會使得v形槽兩側生長面的單晶金剛石無法連續(xù)生長，存在晶向不一和尖端效應的問題，生長的外延層拼接縫處晶體質量仍然較差；

5、二、該類方法由于使用的生長襯底都具有拼接槽的槽口向上、拼接縫較大的缺陷進而導致外延層在拼接縫處的生長質量較差；

6、三、為了彌補拼接縫較大的問題，以上拼接生長的方法在拼接槽進行了額外的修補步驟，或者蝕刻特殊微槽的步驟來促進單晶金剛石在拼接縫上方的連續(xù)生長，但又產生了新的問題：無論是特殊微槽的加工還是v形槽的缺口修復都需要精準地控制其工藝參數，從而導致其操作步驟復雜，不利于生產；

7、四、在將拼接后的襯底放入生長系統內進行生長的過程中，金剛石四周會長多晶，進而向內擠壓單晶金剛石的生長空間，增加了應力以及減少了單晶金剛石的面積；

8、因此有必要設計出新的生長襯底以及新的方法來制備大尺寸、高質量的單晶金剛石。

技術實現思路

1、本發(fā)明所要解決的第一個技術問題是針對上述現有技術現狀而提供一種拼接縫處晶體質量好的用于金剛石生長的襯底。

2、本發(fā)明所要解決的第二個技術問題是針對上述現有技術現狀而提供一種應用有上述襯底并能在拼接縫處長出質量較好晶體的金剛石拼接生長的方法。

3、本發(fā)明所要解決的第三個技術問題是針對上述現有技術現狀而提供一種操作步驟更為簡單的金剛石拼接生長的方法。

4、本發(fā)明所要解決的第四個技術問題是針對上述現有技術現狀而提供一種能避免產生多晶的金剛石拼接生長的方法。

5、本發(fā)明解決第一個技術問題所采用的技術方案為：該用于金剛石生長的襯底，包括有拼合單元組，所述拼合單元組包括有：

6、第一單晶金剛石，包括有與生長基臺相貼合的第一底面以及直接用于金剛石生長用的第一正面，作為第一襯底；

7、第二單晶金剛石，包括有與生長基臺相貼合的第二底面以及直接用于金剛石生長用的第二正面，作為第二襯底；

8、其特征在于：

9、所述第一單晶金剛石的第一正面向第一底面被切割成待拼合的第一偏離角為β度；同樣地，

10、所述第二單晶金剛石的第二正面向第二底面被切割成待拼合的第二偏離角為γ度；

11、還包括有將所述第一單晶金剛石和第二單晶金剛石連接的連接件，在拼合狀態(tài)下，所述第一單晶金剛石的第一正面與所述第二單晶金剛石的第二正面拼合，形成拼接縫小的生長表面，而所述第一單晶金剛石的第一底面與所述第二單晶金剛石的第二底面之間形成有拼合呈α度倒v形的缺口，并且α＝β+γ。

12、為了第一單晶金剛石和第二單晶金剛石連接穩(wěn)固，進一步地，所述第一單晶金剛石和第二單晶金剛石于各自的正面和底面之間的區(qū)域開設有供所述連接件嵌設的嵌入口。用戶通過在嵌入口內嵌入連接件從而完成第一襯底和第二襯底的拼接，防止因拼合單元組送入微波等離子體生長系統中生長時氣流吹偏拼接片而造成的反復開機和拼接對齊問題。

13、為了降低拼合單元組兩邊的溫差，進一步地，所述嵌入口與各個單晶金剛石的正面或是底面平行，所述連接件為呈條狀的金剛石。連接件為金剛石起到了輔助傳熱的功能，使得第一單晶金剛石和第二單晶金剛石溫度分布均勻。

14、為了使得拼合單元組的生長面平齊，進一步地，所述第一偏離角為β度，并且0°<β<1.5°，所述第二偏離角為γ度，并且0°<γ<1.5°，所述拼接縫寬為1～60μm，所述第一單晶金剛石和第二單晶金剛石的厚度差為0～40μm。拼接縫的寬度遠小于現有技術，這使得拼合單元組長出的大尺寸金剛石在拼接縫處的質量優(yōu)于現有的拼接生長襯底。

15、本發(fā)明解決第二個技術問題所采用的技術方案為：該金剛石拼接生長的方法，包括有以下步驟：

16、s1、選取上述的第一單晶金剛石作為第一襯底，通過微波等離子體化學氣相沉積法在所述第一襯底上沉積生長出外延層；

17、s2、將步驟s1所述的外延層與第一襯底分離，以構成上述的第二單晶金剛石，使得分離后的第一單晶金剛石和第二單晶金剛石的厚度差在40μm以內，第一單晶金剛石和第二單晶金剛石待生長面的表面粗糙度ra值為0-50nm；

18、其特征在于，還包括有：

19、s3、將所述第一單晶金剛石的第一正面向第一底面被切割出待拼合的第一偏離角，以及所述第二單晶金剛石的第二正面向第二底面被切割出待拼合的第二偏離角，所述第一偏離角的角度為β度，所述第二偏離角的角度為γ度；

20、s4、將步驟s3得到的所述第一單晶金剛石的第一正面與第二單晶金剛石的第二正面拼合后反置，共同構成上述的拼合單元組，所述拼合單元組具有上述的開口向下的倒v形的缺口，該第一單晶金剛石的第一正面與所述第二單晶金剛石的第二正面共同構成生長面，所述生長面上具有上述的拼接縫；而所述缺口的角度為α度，并且α＝β+γ；

21、s5、將步驟s4得到的拼合單元組由上述的連接件連接，并以生長面向上的姿態(tài)放入微波等離子體生長系統中生長后切割分離得到大尺寸單晶金剛石。

22、本發(fā)明解決第三個技術問題所采用的技術方案為：所述步驟s3的具體操作步驟為：

23、s31、將步驟s2得到的所述第二單晶金剛石按照與所述第一單晶金剛石的臺階流生長方向相同的方向平移擺放，即第二單晶金剛石的第二底面疊至第一單晶金剛石的第一正面，并疊至第一單晶金剛石之上而留有交疊區(qū)域；

24、s32、將由激光源發(fā)出的激光豎直向下朝步驟s31所述的交疊區(qū)域進行照射切割以形成的切割切口呈α度的v形，并且β＝γ，α＝2β；

25、s33、去除所述第一單晶金剛石和第二單晶金剛石被激光切割后的邊角區(qū)域，分別獲得具有偏離角的所述第一單晶金剛石和所述第二單晶金剛石。在生長方法中采用的平移后激光豎直切割交疊區(qū)域的步驟，其平移的操作保證了切割后拼接處的晶向一致，交疊區(qū)域的設置使得操作者能夠僅用一刀將兩塊單晶金剛石切割出第一偏離角和第二偏離角，簡化了切割流程和操作。

26、為了保持金剛石表面光滑，進一步地，所述步驟s4和步驟s5之間具有清洗的操作，具體來說，使用丙酮和無水乙醇對所述拼合單元組進行超聲清洗，所述超聲清洗時間為10～30min；再使用超純水對所述拼合單元組進行兆聲波清洗，清洗時間為10～30min，并通過氮氣吹凈表面殘留水滴，吹氣時間為5～10min。清洗的操作去除了金剛石表面的無機離子、有機雜質、切割余料，兆聲波清洗為采用兆赫茲級別的超高頻超聲波能量進行基材表面亞微米級顆粒去除的清洗方法，不會產生強烈的空化效應，從而避免了在清洗過程中對清洗現象表面的損傷與污染物殘留，用氮氣吹凈是為了避免清洗后殘留的清洗液二次污染。

27、本發(fā)明解決第四個技術問題所采用的技術方案為：所述步驟s5在將拼合單元組放入微波等離子體生長系統時還需要在生長基臺上放置干涉裝置，所述干涉裝置為熔點在1500℃以上的條狀物質，所述干涉裝置能夠通過影響微波在生長基臺上的干涉位置，進而使得拼合單元組四周的等離子場的峰值向干涉裝置方向靠近，同時增加了拼合單元組上方等離子體的密度。在生長基臺上放置的干涉裝置使得拼合單元組四周的等離子場的峰值向干涉裝置方向靠近，避免了大尺寸金剛石的四周多晶的生長而向內擠壓單晶金剛石的生長空間，減少了應力和增加了單晶金剛石的面積；同時增加了拼合單元組上方等離子體的密度，從而實現拼合單元組的生長面上大尺寸金剛石的高速生長。

28、為了進一步減弱拼接片邊界的尖端效應，優(yōu)選地，所述干涉裝置包括有至少兩個金剛石條，各個所述金剛石條分別分布于拼合單元組的四周，與拼合單元組的邊界的距離d為1.5～3mm，與拼合單元組1的高度差h為0.2～1mm。金剛石條比拼合單元組高的特征使得避免生長的金剛石四周吸引太多等離子球，金剛石條與拼合單元組的距離d的設置使得中間生長的大尺寸金剛石能位于接收等離子球最優(yōu)點。

29、為了獲得更大尺寸的金剛石，進一步地，所述步驟s5之后還具有步驟s6，所述步驟s6的具體操作包括有：

30、將步驟s5得到的拼合單元組和大尺寸單晶金剛石作為所述的第一單晶金剛石和第二單晶金剛石，并執(zhí)行所述步驟s3、步驟s4、步驟s5的操作，得到另一大尺寸單晶金剛石，以該方法生長出的大尺寸金剛石拼接縫處生長質量較好且可以對拼接單元組進行重復利用。

31、與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

32、1、拼合單元組以激光切割后的第一正面和第二正面相抵為生長面，生長面上的拼接縫寬僅為1～60μm，縫寬越小代表拼接片距離越近，尖端效應越不明顯，在生長面上長出的大尺寸單晶金剛石在拼接縫處的具有明顯的臺階紋，質量較高，拼接縫處無錯位、裂紋、多晶現象出現；同時拼接縫越小可以減少晶格錯位所帶來的影響；

33、2、在拼合單元組的生長面上由于金剛石在一個生長紋路的方向上的晶向基本一致，激光切割金剛石時的槽原本就是“v”形，故而以步驟s1中外延層與第一襯底的姿態(tài)平移堆疊后再對交疊區(qū)域進行激光切割，保證了拼接后再生長襯底上長出的大尺寸單晶金剛石的晶向無錯位；

34、3、由于本發(fā)明不將缺口作為加工對象，而是以第一正面和第二正面拼接作為生長面，那么缺口以及第一底面和第二底面就可以作為連接件的設置位置，進一步地，連接件的設置使得第一單晶金剛石與第二單晶金剛石的連接關系穩(wěn)定，致使在微波等離子體生長系統內生長時相對位置保持穩(wěn)定，不會被通入的生長氣體吹歪而頻繁地停機矯正；

35、4、在生長方法中采用第一單晶金剛石作為襯底長出第二單晶金剛石并且將第一正面和第二正面拼接的方式保證了拼合后拼接縫處晶向一致無錯位，采用激光切割出第一偏離角和第一偏離角后相互拼接的方式保證了在第一單晶金剛石與第二單晶金剛石拼接時僅有第一正面和第二正面的銜接處相互接觸，而在生長面以下部分不會相互接觸，盡可能減小了第一單晶金剛石與第二單晶金剛石的接觸面積，操作步驟簡單且避免了因切割面的加工缺陷而導致拼接縫的增大。