金剛石層的分離方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體技術領域，具體涉及金剛石層的分離方法。
【背景技術】
[0002]金剛石作為超硬工具，電子器件的襯底，在工業(yè)中的應用十分廣泛。在所有的應用中，都希望使用大尺寸金剛石作為原材料。對于多晶金剛石而言，大于2英寸的多晶襯底已經能夠合成，并用作光學窗口，超硬工具等領域。另一方面，單晶金剛石襯底是通過對天然或者合成金剛石利用激光切割、解理等方法切割成片而形成的。根據需要，對相應的表面進行拋光處理。然而，我們知道，天然金剛石非常稀有，大尺寸天然金剛石價格又非常昂貴。進一步講，高溫高壓合成金剛石雖然被廣泛應用在各個工業(yè)領域，但是這種方法又存在著一定的限制，如合成速率慢，隨著尺寸增大，產量會急劇下降。因此，I X Icm2的單晶幾乎已經成為極限。商業(yè)上使用的高溫高壓合成金剛石，常見的尺寸一般是5X5mm2。
[0003]使用化學氣相沉積(CVD)的方法高速合成單晶金剛石目前已有報道，在生長中加入少量氮氣，調整生長工藝，可以使得金剛石的生長速度超過150 μ m/h [I]。采用這種辦法，可以使得合成的晶體厚度超過lcm[2]。另外利用CVD方法合成單晶金剛石的技術能夠在CVD腔體構造擴大的情況下更容易增大合成金剛石的面積。通過控制工藝，調整導入的少量雜質氣體，可以大面積高速度地進行外延生長。微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)是目前大面積單晶金剛石生長中最常見的技術，結合在高溫高壓襯底上進行金剛石的三維生長和拼接技術，目前大面積生長技術得到的單晶金剛石尺寸已經到達了 2英寸[3]。
[0004]因此，在高溫高壓金剛石晶體上通過大面積生長技術可以進一步得到大面積單晶金剛石襯底。這樣，再將大面積單晶金剛石襯底作為種晶，通過剝離的方法將外延生長的單晶金剛石層從種晶上分離，從而得到工業(yè)和研宄上使用的商業(yè)化襯底。
[0005]如上所述，在由化學氣相沉積技術合成的單晶金剛石晶體上，切割我們所需要的金剛石襯底，通常使用的方法是激光切割，金剛石鋸切割等。使用這些辦法切割時，切割區(qū)域的損傷厚度在數(shù)十到數(shù)百微米左右，這樣的厚度已經與半導體襯底厚度相當，大大降低了種晶的利用效率。因此有必要尋找新的切割辦法，盡量降低切割過程中造成的損失。
[0006]Fairchild和Mokuno等團隊已經報道了使用高能碳離子或者氦離子注入到金剛石襯底中，在襯底表層以下一定深度形成非金剛石層，再在高溫中退火后，然后使用電化學腐蝕的方法腐蝕掉非金剛石層，使得金剛石表層從原有金剛石襯底上分離[4，5]。但是，所需能量約為3MeV級的高能離子注入機非常昂貴，離子注入時間也很長，這樣使用離子注入的方法分離金剛石在工業(yè)應用和科學研宄上受到了限制。
[0007]參考文獻
[0008][l]‘‘High optical quality multicarat single crystal diamond produced bychemical vapor deposit1n’?ιι-fei Meng*, Chih-shiue Yan, Szczesny Krasnicki Phys.Status Solidi A 209, N0.1, 101 - 104(2012)
[0009][2] “Synthesizing single-crystal diamond by repetit1n of high rateHomoepitaxial growth by microwave plasma CVD^ Y.Mokuno*, A.Chayahara, Y.Soda, Y.Horino, N.Fujimor1.Diamond&Related Materials 14(2005) 1743 - 1746
[0010][3] “A 2-1n.mosaic wafer made of a single-crystal diamond，，H.Yamada, A.Chayahara, Y.Mokuno, Y.Kato, and S.Shikata.Applied Physics Letters104，102110(2014)
[0011][4] “Fabricat1n of Ultrathin Single-Crystal DiamondMembranes林，，Barbara A.Fairchild, *Paolo 01 ivero, Sergey Rubanov.Adv.Mater.2008, 20, 4793 - 4798.
[0012][5] "Synthesis of large single crystal diamond plate by high ratehomoepitaxial growth using microwave plasma CVD and lift-off process〃Y.Mokuno, A.Chayahara, H.Yamada.Diamond&Related Materials 17(2008)415 - 418.

【發(fā)明內容】

[0013]本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種金剛石層的分離方法，采用該方法不會破壞金剛石表面，與激光切割技術相比，降低了金剛石切割中的損耗；與離子注入分離技術相比，節(jié)約了成本、縮短了加工時間。
[0014]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是，金剛石層的分離方法，該方法包括以下步驟:
[0015]采用激光對待處理的金剛石內部進行二維掃描，破壞掃描處的金剛石結構，在待處理的金剛石表面以下一定深度形成非金剛石層；去除該非金剛石層，以實現(xiàn)對上述金剛石的上下分離。
[0016]進一步地，采用電化學腐蝕的方法腐蝕去除該非金剛石層。
[0017]進一步地，在去除該非金剛石層之前，對待處理金剛石在彡800°C真空中退火，使得非金剛石層石墨化。
[0018]進一步地，所使用激光的能量密度為:待處理金剛石的擊穿閾值-1.2J/cm2。
[0019]進一步地，所述形成的非金剛石層的深度為表層下I μ m-10 μ m，厚度為10nm-10 μm0
[0020]進一步地，所述非金剛石層的表面積小于或等于金剛石的表面積。
[0021]進一步地，所述金剛石為多晶結構或者單晶結構，同時可以為絕緣的天然金剛石或者絕緣的人造金剛石。
[0022]進一步地，所述激光為飛秒激光或者寬脈沖激光。
[0023]本發(fā)明還提供了金剛石層的分離方法的應用，用于剝離金剛石襯底表層。
[0024]本發(fā)明還提供了金剛石層的分離方法的另一種應用，用于剝離金剛石襯底上的外延生長金剛石層，具體是:采用激光對待處理的金剛石襯底內部進行二維掃描，破壞掃描處的金剛石結構，在待處理的金剛石襯底表面以下一定深度形成非金剛石層；在金剛石襯底表面外延生長一定厚度的金剛石層；去除該非金剛石層，以實現(xiàn)對上述金剛石的上下分離，得到非金剛石層以上的金剛石襯底和外延生長金剛石層、以及非金剛石層以下的金剛石襯底。
[0025]本發(fā)明一種用于剝離金剛石的方法，具有如下優(yōu)點:1.短時間內可以在超過3mmX 3mm以上的金剛石上剝離金剛石薄層(即金剛石襯底表層)或者金剛石襯底上的外延生長金剛石層，進而形成大面積單晶金剛石批量生產的能力。2.不受金剛石晶體結構的影響。3.與現(xiàn)有激光切割技術相比，大大降低金剛石切割中的損耗。與離子注入分離技術相比，節(jié)約了成本，縮短了加工時間。4.由于能夠方便的剝離金剛石層，工業(yè)上實現(xiàn)了可以多次重復使用金剛石或外延層，不會造成浪費。5.所優(yōu)選的飛秒激光利用的是雪崩電離或者多光子電離等非線性效應，其加工過程不會出現(xiàn)熔化過程，可以進行微米甚至是納米尺度精細加工。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明中在金剛石內形成非金剛石所選用的激光系統(tǒng)的示意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明中電化學腐蝕系統(tǒng)；
[0028]圖3是本發(fā)明實施例所得的金剛石內部的非金剛石層的金相圖。
[0029]其中:1.衰減器；2.分光鏡；3.功率計；4.聚焦透鏡；5.位移平臺；6.電動驅動器；7.控制裝置；8.激光器；9.再生放大器；10.反射鏡，11.容器，12.電極；13掃描后金剛石樣品；14電源；15.非金剛石層，16金剛石。
【具體實施方式】
[0030]本發(fā)明金剛石層的分離方法，該方法包括以下步驟:采用激光對待處理的金剛石內部進行二維掃描，破壞掃描處的金剛石結構，在待處理的金剛石表面以下一定深度形成非金剛石層；去除該非金剛石層，以實現(xiàn)對上述金剛石的上下分離。其中，可以采用電化學腐蝕的方法腐蝕去除該非金剛石層。在去除該非金剛石層之前，對待處理金剛石在多800°C真空中退火，使得非金剛石層石墨化。
[0031]本發(fā)明還提供了金剛石層的分離方法的應用，用于剝離金剛石襯底表層。還可用于剝離金剛石襯底上的外延生長金剛石層，具體是:采用激光對待處理的金剛石襯底內部進行二維掃描，破壞掃描處的金剛石結構，在待處理的金剛石襯底表面以下一定深度形成非金剛石層；采用化學氣相沉積法等方法在金剛石襯底表面外延生長一定厚度的金剛石層；去除該非金剛石層，以實現(xiàn)對上述金剛石的上下分離，得到非金剛石層以上的金剛石襯底和外延生長金剛石層、以及非金剛石層以下的金剛石襯底。上述兩種應用只是增加了外延生產金剛石層的步驟，其余步驟均相同，同時，本發(fā)明同樣適用其他工業(yè)中需要剝離金剛石層時的應用。
[0032]本方明金剛石層的分