[發明專利]一種通過微波等離子體采用碳化硼制備金剛石的方法

有效

• 申請號: 202010987048.1
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN111945131B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: 滿衛東;朱長征;龔闖;吳劍波
• 申請（專利權）人: 上海征世科技股份有限公司
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/517
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 陳秋憶;徐偉

本發明提供了一種通過微波等離子體采用碳化硼制備金剛石的方法，上述方法包括：預處理步驟：提供襯底，將固態碳化硼顆粒均勻放置在上述襯底周圍，并放入微波等離子體反應室中；形核步驟：采用第一工藝參數組合產生等離子體轟擊上述固態碳化硼顆粒，以使金剛石在上述襯底表面形核；以及生長步驟：采用第二工藝參數組合產生等離子體轟擊上述固態碳化硼顆粒，以在上述襯底表面生成摻硼的金剛石；其中上述第一工藝參數組合不同于上述第二工藝參數組合。本發明還提供了根據上述方法所制備的摻硼的金剛石。本發明所提供的方法采用廉價、安全的碳化硼制備摻硼金剛石，降低工藝成本，提高工藝安全。所制備的摻硼的金剛石質地均勻，性能良好，應用廣泛。

技術領域

本發明涉及金剛石的制備領域，尤其涉及一種通過微波等離子體采用碳化硼制備金剛石的方法。

背景技術

金剛石，由于具有十分優越的性能，在很多領域有著廣泛的應用。天然金剛石數量稀少，價格昂貴，難以滿足各個領域的大量需求。用高溫高壓法(HTHP法)制備的人造金剛石，由于含有金屬催化劑，也影響到金剛石的性質。目前，采用微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)技術，能夠在襯底材料表面生長出高質量的人造金剛石。

微波等離子體化學氣相沉積裝置一般包括微波系統、真空系統、供氣系統和等離子體反應室。等離子體反應室中設有一個自旋轉基片臺，自旋轉基片臺上表面放置有圓形且具有一定厚度的供金剛石生長的襯底材料。微波系統產生的微波進入等離子體反應室，在自旋轉基片臺上方激發供氣系統提供的氣體產生等離子體球，等離子體球緊貼在襯底材料表面，通過調整不同的反應氣體以及工藝參數，可以在襯底材料表面生長出CVD金剛石。

CVD金剛石并非導體，若對CVD半導體進行硼摻雜，則可以使CVD金剛石由非導電體變為半導體甚至是導體，從而能夠拓寬CVD金剛石在更多領域中的更多應用前景。

若要對CVD金剛石進行硼摻雜，需要提供含硼原料。現有最常用的硼源是氣態的硼乙烷，但是這種氣體遇到空氣或者氧氣，就會形成氧化硼粉末，粉末很容易堵塞生長金剛石系統的氣路部分，而且該氧化反應速度很快，很容易引起燃燒甚至爆炸，對實際操作有危險性。

也有通過含硼的液體被其他反應氣體攜帶而以氣態方式進入反應腔的操作方法，如通入液體三甲基硼。但這種液體易燃、易爆，能使人燒傷。另外一種常用的液態硼源為硼酸三甲酯(熔點：-34℃，沸點：68-69℃)，該物質有較強的腐蝕性，長期使用會對化學氣相沉積設備的腔體造成腐蝕，影響設備壽命。

無論是氣態硼源還是液態硼源都具有各種缺點。固態的含硼原料價格低廉，性質較為穩定，能夠克服氣態硼源和液態硼源引起的問題，是目前摻硼CVD金剛石生長工藝的發展趨勢之一。

目前常用的固體硼源在進行微波CVD的過程中仍然需要將含硼的固體原料溶解在液體中，通過反應氣體攜帶進入反應腔中進行摻硼。例如將固態氧化硼溶解在有機溶劑中，如甲醇或者丙酮，再通過反應氣體如氫氣作為載氣將含硼的有機溶液以氣態的方式帶入反應腔中。這種方法由于引入氧化硼中含有的氧的成分，同時有機溶劑中也有含氧的成分，使用時很難控制將反應氣體的濃度配比控制在理想的狀態。而且溶解固體用的有機溶劑對等離子體成分也有很多不確定的影響。

申請號為201910925306.0的專利文獻《一種利用固態摻雜源制備摻硼金剛石的方法》公開了一種使用硼粉加石墨的方法進行CVD金剛石的摻硼制備方法。在該方法中由于使用了大量的石墨(摩爾百分比90-99％)，石墨在MPCVD沉積生長CVD金剛石的過程中，會被原子氫所刻蝕而進入等離子體球的生長區域中，對生長環境中碳的濃度有很大的影響。同時會消耗大量的原子氫，從而降低了CVD金剛石沉積區域中原子氫的濃度。而原子氫的濃度的降低會大幅度降低CVD金剛石的沉積質量。另外，由于該方法中固體原料含有兩種單質：單質硼和石墨，二者在等離子體的環境中，被等離子體刻蝕的速率是不同的，因此隨著沉積時間的不斷進行，固體原料中兩種單質的百分比會發生變化，從而導致摻硼量也會不斷的發生變化。