本发明属于半导体材料制备，具体涉及一种用于高质量大尺寸半导体金刚石单晶材料制备与加工的方法。
背景技术：
1、人造金刚石高质量单晶衬底材料大多采用高温高压法(hpht)制备，cvd法金刚石单晶衬底虽然能够进行大尺寸拼接与异质单晶制备，但由于成本控制和成品率的问题，依然无法实现高质量批量可控的衬底制备。异质单晶制备多使用金属铱元素作为优选诱导形核层，铱金属价格及其昂贵，不能用于大规模量产。因此大尺寸拼接成为较为优越的金刚石大尺寸单晶制备方法。该方法使用多片金刚石(100)单晶相互紧密排列，在化学气相沉积设备中同质外延生长金刚石单晶层，实现金刚石单晶台阶流外延跨越晶片间接缝的方式实现大面积金刚石同质外延层制备。目前该方法虽具有较高的工业化可行性，但是其在金刚石单晶片接缝区域容易出现多晶、晶界与位错密集区，导致晶体应力增大，使得同质外延大尺寸金刚石质量下降，同时容易导致在后续加工过程中出现晶片破碎。
2、中国专利文献cn114232091a公开了一种基于金刚石单晶cvd外延厚层切片进行拼接的方法，但是在实际生长过程中，由于cvd外延过程中应力与缺陷的积累，金刚石单晶在多次cvd外延生长后晶体质量将显著下降，在后续拼接过程中会出现随着复制籽晶次数提升，衬底与多大尺寸金刚石单晶外延层质量分布明显不均匀的情况，严重影响后续材料的半导体器件应用。
3、中国专利文献cn113463192b也公开了一种拼接生长金刚石单晶的方法，该方法为了降低衬底边缘的应力与位错富集区，在衬底连接处边缘使用磁控溅射或真空镀膜溅射金属铱的方式，利用异质外延金刚石单晶的方法实现相对高质量外延。该方法成本较高，且在接缝处进行铱金属镀膜的均匀性较差且不能保证金刚石单晶衬底边缘内部的铱金属的填充效果，难以精确控制镀铱区域的金刚石cvd外延层与衬底表面同质外延金刚石层的台阶流聚并效果。因此，无法从根本上解决接缝区域的应力与位错积累等问题。
4、因此需要有一种新的金刚石单晶拼接方法，聚焦于多片金刚石单晶接缝区域的位错与应力抑制问题，实现高质量金刚石单晶表面选择性外延台阶流的延伸与聚并。
技术实现思路
1、本发明针对现有金刚石单晶拼接技术存在的金刚石接缝处位错积累、应力集中、多晶富集生长的问题，提出一种高质量大尺寸金刚石单晶拼接制备方法，以实现均匀的英寸级金刚石微电子级单晶外延制备。
2、本发明的高质量大尺寸金刚石单晶拼接制备方法，其技术方案包括以下步骤：
3、(1)对金刚石单晶片进行表面加工；使金刚石单晶片厚度为0.3-0.5mm，公差范围为0.01-0.05mm，平均表面粗糙度ra小于2nm，边缘与上表面夹角为90±3°；
4、(2)将金刚石单晶片清洁后进行列阵，单晶片之间的间隙小于500μm，将金刚石单晶片列阵放入mpcvd(微波等离子体化学气相沉积)设备中；
5、所述清洁是使用高温混合强酸进行煮沸，然后超声振动。所述高温混合强酸是80℃的强酸混合液，强酸混合液中浓硫酸(质量分数98％的硫酸溶液)体积分数为80％，浓硝酸(质量分数68％的硝酸溶液)体积分数为20％。
6、(3)进行金刚石同质外延单晶生长；
7、具体过程是，在微波等离子体化学气相沉积设备中加入甲烷气体，控制甲烷、氢气、氧气的体积流量(sccm)比例为20:500:2，生长温度为900-1000℃，压力为100-150torr，生长时间为200-300小时，获得金刚石马赛克拼接单晶；
8、(4)对金刚石马赛克拼接单晶表面进行研磨，表面平均粗糙度达到1-3nm，表面台阶流与多晶区域消失，清洁去除衬底表面杂质；
9、所述清洁是使用高温混合强酸进行煮沸和超声振动，高温混合强酸是指温度为80℃的按体积分数浓硫酸占80％和浓硝酸占20％的强酸混合液。
10、(5)在拼接表面接缝处制备sio2掩膜，覆盖接缝区域上表面；
11、所述sio2掩膜的宽度为0.1-0.3mm，厚度为0.1-10μm。
12、(6)选择性侧向外延：再次放入mpcvd设备中，进行第二次金刚石单晶同质外延单晶生长；
13、具体过程是，在mpcvd设备中加入甲烷气体，控制甲烷、氢气、氧气的体积流量(sccm)比例为10-20:500:1-2，生长温度为900-1000℃，压力为100-150torr，生长时间为100-400小时。
14、(7)金刚石同质外延；
15、具体过程是，在mpcvd设备中调整气体比例气体，控制甲烷、氢气、氧气的体积流量(sccm)比例为20-40：500：2，生长温度为1000-1100℃，压力为100-150torr，生长时间为200-400小时。
16、(8)对同质外延表面进行处理，使表面平整；
17、使用金刚石激光处理设备处理样品表面的不平整的台阶与多晶等应力集中区域，处理完成后样品表面将呈现平整表面。
18、(9)切割成满足尺寸要求的金刚石单晶片；
19、(10)表面抛光；
20、具体过程是，使用酸性高锰酸钾与粒径50nm-500nm的金刚石微粉混合作为抛光液，抛光时间8-24小时，去除激光过程中表面产生的无定形碳与石墨化层，同时使得表面达到纳米级表面粗糙度；
21、(11)清理表面，去除杂质，获得清洁的金刚石大尺寸拼接单晶衬底材料。
22、具体过程是：将样品置于80℃的强酸混合液中(浓硫酸体积分数80％，浓硝酸体积分数20％)进行清洗，清洗时间为10-30分钟；随后将衬底样品依次放置于丙酮与酒精中分别超声10-30分钟，获得清洁的金刚石大尺寸拼接单晶衬底材料。
23、本发明与现有技术相比，具有以下特点：
24、1.充分考虑到了金刚石单晶拼接过程中可能产生的多晶与未连接区域的处理。通过采用在单晶拼接区域表面制备sio2掩膜的方式阻挡同质外延产生缺陷与应力集中区域的纵向延伸，由于金刚石生长外延在sio2掩膜表面成核与外延难度高，实现金刚石的同质侧向选择性外延生长，侧向高质量外延即可覆盖sio2所掩盖的低质量应力集中区域，获得高质量金刚石拼接生长。
25、2.侧向外延与高速外延相结合，采用激光切割与表面机械研磨抛光的方式相结合，将被掩蔽缺陷延伸的金刚石外延单晶晶体进行分离与表面加工，获得满足直接外延要求的金刚石单晶衬底。该方法可以根据所需的厚度与进行激光切割与定向减薄。
1.一种高质量大尺寸金刚石单晶拼接制备方法，其特征是，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高质量大尺寸金刚石单晶拼接制备方法，其特征是，所述步骤(2)中清洁是使用高温混合强酸进行煮沸，然后超声振动。所述高温混合强酸是80℃的强酸混合液，强酸混合液中浓硫酸体积分数为80％，浓硝酸体积分数为20％。
3.根据权利要求1所述的高质量大尺寸金刚石单晶拼接制备方法，其特征是，所述步骤(3)进行金刚石同质外延单晶生长的具体过程是，在微波等离子体化学气相沉积设备中加入甲烷气体，控制甲烷、氢气、氧气的体积流量比例为20:500:2，生长温度为900-1000℃，压力为100-150torr，生长时间为200-300小时，获得金刚石马赛克拼接单晶。
4.根据权利要求1所述的高质量大尺寸金刚石单晶拼接制备方法，其特征是，所述步骤(4)中清洁是使用高温混合强酸进行煮沸和超声振动，高温混合强酸是指温度为80℃的按体积分数浓硫酸占80％和浓硝酸占20％的强酸混合液。
5.根据权利要求1所述的高质量大尺寸金刚石单晶拼接制备方法，其特征是，所述步骤(5)中sio2掩膜的宽度为0.1-0.3mm，厚度为0.1-10μm。
6.根据权利要求1所述的高质量大尺寸金刚石单晶拼接制备方法，其特征是，所述步骤(6)的具体过程是，在mpcvd设备中加入甲烷气体，控制甲烷、氢气、氧气的体积流量比例为10-20:500:1-2，生长温度为900-1000℃，压力为100-150torr，生长时间为100-400小时。
7.根据权利要求1所述的高质量大尺寸金刚石单晶拼接制备方法，其特征是，所述步骤(7)金刚石同质外延的具体过程是，在mpcvd设备中调整气体比例气体，控制甲烷、氢气、氧气的体积流量比例为20-40：500：2，生长温度为1000-1100℃，压力为100-150torr，生长时间为200-400小时。
8.根据权利要求1所述的高质量大尺寸金刚石单晶拼接制备方法，其特征是，所述步骤(10)表面抛光的具体过程是，使用酸性高锰酸钾与粒径50nm-500nm的金刚石微粉混合作为抛光液，抛光时间8-24小时，去除激光过程中表面产生的无定形碳与石墨化层，同时使得表面达到纳米级表面粗糙度。
9.根据权利要求1所述的高质量大尺寸金刚石单晶拼接制备方法，其特征是，所述步骤(11)的具体过程是：将样品置于80℃的强酸混合液中进行清洗，清洗时间为10-30分钟；随后将衬底样品依次放置于丙酮与酒精中分别超声10-30分钟，获得清洁的金刚石大尺寸拼接单晶衬底材料。
