一种利用MPCVD制备高均匀性金刚石氮终端的方法

本发明涉及一种制备高均匀性金刚石氮终端的方法，属于金刚石表面终端制备。

背景技术：

1、金刚石作为宽禁带半导体材料（禁带宽度 5.5 ev），兼具超高热导率（约 2000 w）、高击穿场强（约 20 mv）与优异化学稳定性，在量子传感（氮-空位（nv）色心核心载体）、高频大功率电子器件、抗腐蚀涂层及光学窗口等领域具有不可替代的应用价值。表面终端态是决定金刚石性能的关键因素，其中氮终端（n-terminated）金刚石凭借独特的表面电子结构、界面水层调控能力及与 nv 色心的高匹配度，展现出极低的矿物结垢倾向、优异的电化学稳定性和高自旋操控兼容性，成为量子器件制造、抗结垢功能涂层及半导体界面工程的核心研究方向。微波等离子体化学气相沉积（mpcvd）因等离子体密度高、能量分布均匀、无电极污染及可精准调控反应参数，成为高质量金刚石合成与表面功能化改性的主流技术。

2、然而，传统技术常以高温退火、射频n等离子体处理或离子注入方式在金刚石内部引入氮原子，再通过真空热处理促使氮原子向表面偏析形成氮终端，但该方法易造成氮原子扩散深度不均、表面浓度梯度大，且高温过程易引入空位、位错等晶体缺陷，难以获得致密均匀的表面氮终端层。采用氮离子注入或高能氮等离子体轰击的方式，虽可直接在金刚石表面实现氮化处理，但高能离子易对金刚石晶格造成溅射损伤，形成悬挂键与非晶碳层，导致表面粗糙度升高、氮基团与基底结合力弱，在后续使用过程中易发生氮终端脱附与性能衰减，且等离子体通量分布不均会直接造成表面氮终端覆盖度差异显著。

技术实现思路

1、本发明为解决现有方法制备的金刚石氮终端表面的氮覆盖不均匀，且现有技术制备的金刚石氮终端存在表面损伤的问题，进而提出一种利用mpcvd制备高均匀性金刚石氮终端的方法。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的步骤包括：

3、步骤1、用无水乙醇、去离子水对mpcvd设备衬底与腔壁进行清洗，并通过氢气与氧气的混合等离子体对mpcvd反应腔进行预刻蚀；

4、步骤2、对金刚石样品进行预处理；将金刚石衬底经清洗、干燥后放入微波等离子体化学气相沉积反应腔；

5、步骤3、通过低流量氢气等离子体开启微波；

6、步骤4、制备原位氮终端；通入氮气，调控微波功率、腔压、衬底温度，形成紫红色氮等离子体，在金刚石表面原位构筑c-n键氮终端；

7、步骤5、利用x射线光电子能谱设备进行金刚石氮终端的表征，利用拉曼光谱仪对比氮终端处理前后，金刚石的1332拉曼峰变化，利用偏光显微镜观察金刚石表面是否存在损伤情况。

8、进一步的，步骤1中用无水乙醇、去离子水对微波频率为2.5ghz的mpcvd设备水冷台与腔壁进行拭擦清理，并用无水乙醇、去离子水对放置金刚石的金属钼衬底依次超声清洗20分钟，通过392 sccm的与8 sccm 的的混合等离子体对mpcvd反应腔进行预刻蚀，避免金刚石样品被腔体中残留的杂质污染。

9、进一步的，金属钼的尺寸为φ52 mm×3 mm。

10、进一步的，步骤2中金刚石的晶相为100，尺寸为φ5 mm×0.5 mm。

11、进一步的，步骤3中mpcvd设备启辉时的微波功率为0.6 kw，腔体内气压为0.5kpa, 启辉时的流量为5 sccm。

12、进一步的，步骤四中mpcvd设备启辉之后，逐渐开启流量至50 sccm，关闭流量阀，逐渐升高cvd反应腔气压和微波功率，直至cvd反应腔中金刚石的温度达到800℃。

13、进一步的，步骤四中调控mpcvd反应腔中的气压为12 kpa，mpcvd的微波功率为1.5kw, cvd反应腔中金刚石的温度为800℃。

14、进一步的，步骤五中利用x 射线光电子能谱设备进行金刚石n终端的表征，利用拉曼光谱仪，对比n终端处理前后，金刚石的1332拉曼峰变化，利用偏光显微镜观察金刚石表面是否存在损伤情况。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明具有高界面结合强度：在氮终端形成过程中同步诱导界面化学键合（c-n共价键），界面态密度降至≤5×e，氮终端基团脱附概率降低 90% 以上，显著提升器件在高湿、高电压工况下的长期稳定性。

17、2、本发明的制备工艺高效：本发明基于mpcvd的金刚石n终端制备方法，工艺简单，无需额外后处理步骤，制备效率提升 60% 以上，可适配 2~12 英寸不同尺寸、(100)/(111)等不同晶向衬底，兼容半导体级晶圆制造工艺，降低规模化生产成本。

18、3、本发明具有低缺陷高可靠性：避免高氮浓度引发的晶格损伤与应力不均，制备的氮终端金刚石表面粗糙度 ra≤0.5 nm，内部缺陷密度≤，可实现厚度≥5 mm 的连续生长，满足高端器件对材料品质的要求。

19、4、本发明具备超高均匀性：通过多场协同调控与分区流量精准控制，实现金刚石面内氮终端浓度分布均匀性≤±5%，远优于现有工艺 ±15%~±30% 的水平，满足量子器件、半导体晶圆等高端应用对均匀性的严苛要求。

20、5、本发明具有n终端稳定性：清洗了金刚石表面杂质，更能原位诱导表面悬挂键与活性氮原子发生/杂化重构，直接形成牢固的c-n 共价键。这种制备机制使得氮终端与基底结合极其紧密。

1.一种利用mpcvd制备高均匀性金刚石氮终端的方法，其特征在于，具体步骤包括：

2.根据权利要求1所述的一种利用mpcvd制备高均匀性金刚石氮终端的方法，其特征在于，步骤1中用无水乙醇、去离子水对微波频率为2.5ghz的mpcvd设备水冷台与腔壁进行拭擦清理，并用无水乙醇、去离子水对放置金刚石的金属钼衬底依次超声清洗20分钟，通过392 sccm的与8 sccm 的的混合等离子体对mpcvd反应腔进行预刻蚀，避免金刚石样品被腔体中残留的杂质污染。

3.根据权利要求2所述的一种利用mpcvd制备高均匀性金刚石氮终端的方法，其特征在于，金属钼的尺寸为φ52 mm×3 mm。

4.根据权利要求1所述的一种利用mpcvd制备高均匀性金刚石氮终端的方法，其特征在于，步骤2中金刚石的晶相为100，尺寸为φ5 mm×0.5 mm。

5.根据权利要求1所述的一种利用mpcvd制备高均匀性金刚石氮终端的方法，其特征在于，步骤3中mpcvd设备启辉时的微波功率为0.6 kw，腔体内气压为0.5 kpa, 启辉时的流量为5 sccm。

6.根据权利要求1所述的一种利用mpcvd制备高均匀性金刚石氮终端的方法，其特征在于，步骤四中mpcvd设备启辉之后，逐渐开启流量至50 sccm，关闭流量阀，逐渐升高cvd反应腔气压和微波功率，直至cvd反应腔中金刚石的温度达到800℃。

7.根据权利要求1所述的一种利用mpcvd制备高均匀性金刚石氮终端的方法，其特征在于，步骤四中调控mpcvd反应腔中的气压为12 kpa，mpcvd的微波功率为1.5 kw, cvd反应腔中金刚石的温度为800℃。

8.根据权利要求1所述的一种利用mpcvd制备高均匀性金刚石氮终端的方法，其特征在于，步骤五中利用x 射线光电子能谱设备进行金刚石n终端的表征，利用拉曼光谱仪，对比n终端处理前后，金刚石的1332拉曼峰变化，利用偏光显微镜观察金刚石表面是否存在损伤情况。