技术领域
[0001] 本
发明属于功能材料制备领域，特别涉及一种异质集成单晶钻石薄膜的制备方法。
背景技术
[0002] 钻石是一种宽禁带
半导体，禁带宽度在常温下达到5.47eV，并具有高折射率高热导率以及优异的机械及化学性能。单晶钻石的莫氏硬度为10，为已知现存自然界形成的最硬的材料，
密度为3.52g/cm2，折射率为2.41。单晶钻石为面心立方结构，每个C
原子都以sp3杂化与另外4个相邻C原子形成共价键，每4个C原子构成正四面体，因此宏观上的天然钻石往往呈正八面体。钻石中C-C键很强，没有自由
电子，因此同时导致的钻石的高硬度及高化学
稳定性，熔点在3815℃。但钻石相对较易被点燃，在纯
氧中的燃点为800℃，空气中的燃点为1000℃。同时钻石还具有良好的
生物亲和性。另一方面，钻石可以通过N的掺杂实现高电导率。因此钻石是用作光学，导热，电子器件的理想材料之一。
[0003] 单晶钻石的独特之处在于它已被研究出500多种色心，
波长覆盖从紫外至红外各个波段，许多色心的
亮度足够用作单
光子源，而一些色心(尤其是带负电的氮空位色心(NV-))呈现出非常理想的量子特性。而通常，在利用钻石的上述特性制作器件时，包括电子、光学及量子器件等，通常需要高
质量的单晶钻石亚微米级薄膜材料。而同质
外延生长的钻石薄膜由于生长基底是钻石体材料，将面临由于基底过厚而造成的加工难度大，薄膜和基底同质造成的光场
锁模效果差等一系列问题。而基于异质衬底的外延生长，由于晶格失配与热匹配，导致生长的钻石薄膜
缺陷多、晶体质量差，严重影响器件性能。
[0004] 本发明针对
现有技术的不足，提出了一种高质量的异质衬底集成单晶钻石薄膜的制备方法。
发明内容
[0005] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高质量的单晶钻石薄膜的制备方法并与异质衬底集成。这种技术可以突破传统方法极限，得到大面积、高质量的亚微米-微米厚度钻石薄膜，为光子、量子
传感器件应用提供一个先进的材料平台。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种异质集成单晶钻石薄膜的制备方法，至少包括如下步骤：
[0007] 提供一钻石衬底，对所述钻石衬底上表面进行
离子注入，离子注入的
能量以使注入离子到达所述钻石衬底内的预设深度，在预设深度处形成缺陷层，并将位于缺陷层之上的钻石衬底设为衬底薄层；
[0008] 于所述衬底薄层表面生长同质外延单晶钻石薄膜层；
[0009] 于所述单晶钻石薄膜层表面形成第二键合介质层；
[0010] 提供一异质衬底，于所述异质衬底上表面形成第一键合介质层；
[0011] 将所述钻石衬底覆盖有第一键合介质层的一面与所述异质衬底覆盖有第二键合介质层的一面进行键合，形成键合结构；
[0012] 沿所述缺陷层剥离所述键合结构，去除所述钻石衬底，形成
异质结构；
[0013] 对所述
异质结构的剥离面进行
表面处理，去除残留的缺陷层及所述衬底薄层。
[0014] 本发明还提供一种异质集成单晶钻石薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：
[0015] 提供一钻石衬底，对所述钻石衬底上表面进行离子注入，离子注入的能量足以使注入离子到达所述钻石衬底内的预设深度，在预设深度处形成缺陷层，并将位于缺陷层之上的钻石衬底设为衬底薄层；
[0016] 于所述衬底薄层上表面形成第一键合介质层；
[0017] 提供一异质衬底，于所述异质衬底上表面形成第二键合介质层；
[0018] 将所述衬底薄层覆盖有第一键合介质层的一面与所述异质衬底覆盖有第二键合介质层的一面进行键合，形成键合结构；
[0019] 沿所述缺陷层剥离所述键合结构，去除所述钻石衬底，形成异质结构；
[0020] 对所述异质结构的剥离面进行表面处理，去除残留的缺陷层；
[0021] 于所述异质结构上具有所述衬底薄层的一面生长同质外延单晶钻石薄膜。
[0022] 可选地，所述键合步骤还包括在键合之前，采用等离子激活法激活第一键合介质层和第二键合介质层的步骤，所述等离子激活法中所采用的气体包括氧气、氮气、氩气。
[0023] 可选地，所述剥离步骤还包括于剥离之前，对所述键合结构进行高温
退火的步骤。
[0024] 可选地，所述高温退火的
温度范围为500～1600℃，退火时间为1分钟到24小时，
退火气氛包括氮气、氩气、氢气、
真空。
[0025] 可选地，所述注入离子为H离子或He离子。
[0026] 可选地，所述注入离子的能量范围为20KeV～2MeV，所述注入离子剂量范围为1E16ions/cm2～1E18inos/cm2。
[0027] 可选地，所述同质外延钻石薄膜的制备方法包括
化学气相沉积法、
微波等
离子化学气相沉积法。
[0028] 可选地，所述异质衬底的材料包括
硅、SOI、蓝
宝石、
碳化硅、SiCOI。
[0029] 可选地，所述第一键合基介质层和第二键合介质层的材料包括氧化硅、氧化
铝、氮化硅，厚度为0nm～5μm，键合介质层生长方法包括热氧化法、气相沉积法。
[0030] 可选地，所述键合温度范围为室温到800℃，键合环境条件包括常温常压、真空环境、氮气气氛。
[0031] 可选地，所述表面处理的方法包括高温退火法、化学机械
抛光法、反应离子
刻蚀法、离子束刻蚀法、离子束掠入射抛光法。
[0032] 如上所述，本发明通过离子注入与键合工艺，利用离子注入法在钻石衬底上形成缺陷层，并通过键合与剥离，将同质外延的单晶钻石薄膜至异质衬底上，得到了异质集成单晶钻石薄膜，填补当前国际上异质衬底上生长大面积钻石薄膜的空白，同时保证钻石薄膜的高单晶质量，为钻石薄膜的微纳加工、光学、量子应用提供材料平台。
附图说明
[0033] 图1显示为
实施例一所提供的异质集成单晶钻石薄膜的制备方法示意图。
[0034] 图2至图9显示为实施例一中异质集成单晶钻石薄膜的方法中各步骤所对应的结构示意图。
[0035] 图10显示为实施例二所提供的异质集成单晶钻石薄膜的制备方法示意图。
[0036] 图11至图18显示为实施例二中异质集成单晶钻石薄膜的方法中各步骤所对应的结构示意图。
[0037] 元件标号说明
[0038] 11 钻石衬底
[0039] 111 缺陷层
[0040] 112 衬底薄层
[0041] 113 单晶钻石薄膜层
[0042] 114 第一键合介质层
[0043] 12 异质衬底
[0044] 121 第二键合介质层
[0045] 13 异质结构
[0046] 21 钻石衬底
[0047] 211 缺陷层
[0048] 212 衬底薄层
[0049] 213 第一键合介质层
[0050] 214 单晶钻石薄膜层
[0051] 22 异质衬底
[0052] 221 第二键合介质层
[0053] 23 异质结构
[0054] 1 键合结构
[0055] 2 键合结构
[0056] d 深度
[0057] d＇ 深度
具体实施方式
[0058] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本
说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0059] 请参阅图1至图18。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
[0060] 实施例一
[0061] 如图1～9所示，本实施例提供一种异质集成单晶
石墨烯薄膜的制备方法。
[0062] 请参阅图1，本实施例提供的异质集成单晶
石墨烯薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：
[0063] S1：提供一钻石衬底，对所述钻石衬底上表面进行离子注入，离子注入的能量足以使注入离子到达所述钻石衬底内的预设深度，在预设深度处形成缺陷层，并将缺陷层之上的所述钻石衬底设为衬底薄层；
[0064] S2：于所述钻石衬底衬底薄层表面生长同质外延单晶钻石薄膜层；
[0065] S3：于所述单晶钻石薄膜层表面形成第一键合介质层；
[0066] S4：提供一异质衬底，在所述异质衬底上表面形成第二键合介质层；
[0067] S5：将所述钻石衬底覆盖有第一键合介质层的一面与所述异质衬底覆盖有第二键合介质层的一面进行键合，形成键合结构；
[0068] S6：沿所述缺陷层剥离所述键合结构，去除所述钻石衬底，，形成剥离后的异质结构；
[0069] S7：对所述异质结构的剥离面进行表面处理，去除残留的缺陷层及所述衬底薄层。
[0070] 下面结合附图进一步详细说明本实施例的技术方案。
[0071] 如图2所示，提供一钻石衬底11，通过离子注入法对钻石衬底的上表面进行离子注入，在钻石衬底深度为d处形成缺陷层111，并将位于缺陷层111之上的钻石衬底设为衬底薄层112。
[0072] 所述离子注入的离子种类可选择H离子或He离子，也可以根据技术需要选择其他适合的离子类型。用具有能量的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的或化学的互相作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料中产生一些晶格缺陷，也就形成了缺陷层。在本实施例中，所述H离子或者He离子的能量为20KeV～2MeV，注入剂量为1E16ions/cm2～1E18ions/cm2，形成缺陷层111的深度d为10nm至50μm。缺陷层111的深度和缺陷浓度与注入离子的能量和剂量有关，具体技术参数可根据实际需要进行设置。
[0073] 如图3所示，于所述衬底薄层112上表面同质外延生长单晶钻石薄膜层113。
[0074] 所述同质外延钻石薄膜的制备方法包括化学气相沉积法(CVD)、
微波等离子化学气相沉积法(MPCVD)等高温
气相外延方法。本实施例中采用MPCVD法进行外延生长，生长温度范围为900℃～1500℃，生长压强范围为10kPa～50kPa，生长环境为含碳气体如CH4气体等，辅助气体如H2、O2等，保护气体如N2、Ar2等，生长过程中需精确控制真空度和气体流量。
[0075] 如图4所示，于所述单晶钻石薄膜层113表面形成第一键合介质层114。
[0076] 如图5所示，提供一异质衬底12，在所述异质衬底12上表面形成第一键合介质层121。
[0077] 所述异质衬底的材料包括Si、SOI、蓝宝石、SiC、SiCOI等材料。在本实施例中，选用Si为异质衬底材料。
[0078] 所述第一键合介质层和第二键合介质层的材料包括氧化硅、氧化铝、氮化硅，厚度范围为0nm～5μm，生长方法包括热氧化法、气相沉积法等方法。键合介质层的主要作用在于加强键合强度，并吸收键合面成键释放的气体，保证薄膜平坦。
[0079] 如图6所示，将所述第一键合介质层114和第二键合介质层121进行键合，形成键合结构1。
[0080] 在键合之前，还可以采用等离子激活法激活第一键合结合层114和第二键合介质层121，所述等离子激活法中采用的气体包括氧气、氮气、氩气或其他气体。在键合过程中，键合温度范围为室温到800℃，键合环境条件包括常温常压、真空环境、氮气气氛等。
[0081] 如图7和8所示，将键合结构1沿缺陷层111剥离，去除钻石衬底11，形成异质结构13。
[0082] 在进行剥离之前，可对键合结构1进行高温退火，以利于剥离步骤的进行。高温退火的温度范围可选为500～1600℃，退火时间可选为1分钟到24小时，退火气氛可选为氮气、氩气、氢气、真空或其他气氛。在退火过程中，注入离子的聚集会增加缺陷内部的压强，导致化学键的断裂及缺陷的增值，从而在缺陷层处形成平台型的缺陷，并最终导致钻石衬底的剥离。
[0083] 如图9所示，对异质结构13进行表面处理，去除残留的缺陷层111并去除衬底薄层112，得到异质集成单晶钻石薄膜结构。
[0084] 在剥离后，还需对剥离后形成的异质结构13的表面进行处理，以去除残留的缺陷层111和衬底薄层112。表面处理的方法包括高温退火法，
化学机械抛光法，反应离子刻蚀法，离子束刻蚀法，离子束掠入射抛光法等。在本实施例中，采用离子束刻蚀法对异质结构进行表面处理。离子束刻蚀的离子束能量范围1eV～10keV，
环境温度0～600℃，离子束入射
角度0°～90°，过程时间1～120min。
[0085] 本实施例通过离子注入与键合工艺，将同质外延的单晶钻石薄膜集成于异质衬底上，这种技术突破传统方法极限，得到大面积、高质量的亚微米-微米厚度的钻石薄膜，为光子、量子传感器件应用提供一个先进的材料平台。
[0086] 实施例二
[0087] 如图10～18所示，本实施例提供一种异质集成单晶石墨烯薄膜的制备方法，[0088] 请参阅图10，本实施例提供一种异质集成单晶钻石薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0089] S1：提供一钻石衬底，对所述钻石衬底上表面进行离子注入，离子注入的能量足以使注入离子到达所述钻石衬底内的预设深度，在预设深度处形成缺陷层，并将缺陷层之上的所述钻石衬底设为衬底薄层；
[0090] S2：于所述钻石衬底上表面形成第一键合介质层；
[0091] S3：提供一异质衬底，在所述异质衬底上表面形成第二键合介质层；
[0092] S4：将所述钻石衬底覆盖有第一键合介质层的一面与所述异质衬底覆盖有第二键合介质层的一面进行键合，形成键合结构；
[0093] S5：沿所述缺陷层剥离所述键合结构，去除所述钻石衬底，，形成剥离后的异质结构；
[0094] S6：对所述异质结构的剥离面进行表面处理，去除残留的缺陷层及所述衬底薄层；
[0095] S7：于所述异质结构上具有所述衬底薄层的一面生长同质外延单晶钻石薄膜，得到异质集成单晶钻石薄膜结构。
[0096] 如图11所示，提供一钻石衬底21，通过离子注入法对钻石衬底21的上表面进行离子注入，在钻石衬底深度为d＇处形成缺陷层211，并将位于缺陷层211之上的钻石衬底设为衬底薄层212。
[0097] 所述离子注入的离子种类可选择H离子或He离子，也可以根据技术需要选择其他适合的离子类型。用具有能量的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的或化学的互相作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料中产生一些晶格缺陷，也就形成了缺陷层。在本实施例中，所述H离子或者He离子的能量为20KeV～2MeV，注入剂量为1E16ions/cm2～1E18ions/cm2，形成缺陷层211的深度d＇为10nm至50μm。缺陷层211的深度和缺陷浓度与注入离子的能量和剂量有关，具体技术参数可根据实际需要进行设置。
[0098] 如图12所示，于钻石衬底表面形成第一键合介质层213。
[0099] 如图13所示，提供一异质衬底22，在异质衬底22上表面形成第二键合介质层221。
[0100] 所述异质衬底的材料包括Si、SOI，蓝宝石，SiC，SiCOI等材料。在本实施例中，选用Si为异质衬底材料。
[0101] 所述第一键合介质层和第二键合介质层的材料包括氧化硅、氧化铝、氧化硅，厚度为0nm～5nm,键合介质层的生长方法包括热氧化法、气相沉积法。键合介质层的主要作用在于加强键合强度，并吸收键合面成键释放的气体，保证薄膜平坦。
[0102] 如图14所示，将所述第一键合介质层213和第二键合介质层221进行键合，形成键合结构2。
[0103] 在键合之前，还可以采用等离子激活法激活第一键合结合层213和第二键合介质层221，所述等离子激活法中采用的气体包括氧气、氮气、氩气或其他气体。在键合过程中，键合温度范围为室温到800℃，键合环境条件包括常温常压、真空环境、氮气气氛等。
[0104] 如图15和16所示，将键合结构2沿缺陷层211处剥离，去除钻石衬底21，形成异质结构23。
[0105] 在进行剥离之前，可对键合结构2进行高温退火，以利于剥离步骤的进行。高温退火的温度范围可选为500～1600℃，退火时间可选为1分钟到24小时，退火气氛可选为氮气、氩气、氢气、真空或其他气氛。在退火过程中，注入离子的聚集会增加缺陷内部的压强，导致化学键的断裂及缺陷的增值，从而在缺陷层处形成平台型的缺陷，并最终导致钻石衬底的剥离。
[0106] 如图17所示，对异质结构23进行表面处理，去除残留的缺陷层211。
[0107] 在剥离后，还需对剥离后形成的异质结构的表面进行处理，以去除残留的缺陷层211。所述表面处理的方法包括高温退火法、化学机械抛光法、反应离子刻蚀法、离子束刻蚀法、离子束掠入射抛光法等。在本实施例中，采用离子束刻蚀法对异质结构23进行处理。离子束刻蚀的离子束能量范围1ev～10kev，环境温度0～600℃，离子束入射角度0°～90°，过程时间1～120min。
[0108] 如图18所示，于所述衬底薄层212上表面同质外延生长单晶钻石薄膜214。
[0109] 所述同质外延钻石薄膜的制备方法包括化学气相沉积法(CVD)、微波等离子化学气相沉积法(MPCVD)等高温气相外延方法。本实施例中采用MPCVD法进行外延生长，生长温度范围为900℃～1500℃，生长压强范围为10kPa～50kPa，生长环境为含碳气体如CH4气体等，辅助气体如H2、O2等，保护气体如N2、Ar2等，生长过程中需精确控制真空度和气体流量。
[0110] 通过本实施例，将同质外延的单晶钻石薄膜集成于异质衬底上，这种技术突破传统方法极限，得到大面积、高质量的亚微米-微米厚度的钻石薄膜，为光子、量子传感器件应用提供一个先进的材料平台。
[0111] 综上，本发明的异质集成单晶钻石薄膜的制备方法，利用离子注入法在钻石衬底上形成缺陷层，并通过键合与剥离，将同质外延的单晶钻石薄膜至异质衬底上，得到了异质集成单晶钻石薄膜，填补当前国际上异质衬底上生长大面积钻石薄膜的空白，同时保证钻石薄膜的高单晶质量，为钻石薄膜的微纳加工、光学、量子应用提供材料平台。
[0112] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的
权利要求所涵盖。
