[發(fā)明專利]利用固態(tài)碳源的無氣流MPCVD單晶金剛石生長方法

有效

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• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN112877773B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發(fā)明（設計）人: 朱嘉琦;李一村;代兵;郝曉斌;趙繼文;張森
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: C30B25/00
• 分類號: C30B25/00;C30B29/04
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 侯靜

利用固態(tài)碳源的無氣流MPCVD單晶金剛石生長方法，本發(fā)明要解決現(xiàn)有MPCVD法單晶金剛石生長工藝中需要消耗大量高純氫氣，碳源利用率較低的問題。單晶金剛石生長方法：一、清洗金剛石籽晶；二、將單晶金剛石籽晶放置于樣品臺中心的樣品托上，將固態(tài)碳源放置于單晶金剛石籽晶的四周；三、將反應艙內抽真空，隨后通入高純氫氣，并升高氣壓與微波功率；四、在無氣流穩(wěn)定生長過程中，采用光譜儀對反應艙內的等離子體進行監(jiān)控，通過調節(jié)微波功率來調節(jié)固態(tài)碳源表面的溫度；五、結束生長。本發(fā)明在無氣流生長過程中，原子氫刻蝕固態(tài)碳源產生碳氫基團，隨后通過熱擴散粒子輸運到金剛石籽晶表面，此過程持續(xù)循環(huán)進行，實現(xiàn)單晶金剛石的快速生長。

技術領域

本發(fā)明屬于金剛石材料制備領域，具體涉及一種利用固態(tài)碳源作為前驅體的無氣流MPCVD單晶金剛石制備方法。

背景技術

人造金剛石技術在近幾十年間發(fā)展十分迅猛，其中以高溫高壓法(HPHT)和化學氣相沉積法(CVD)應用最為廣泛。微波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)采用微波作為能量來源，無電極污染，產生的等離子體具有較高的穩(wěn)定性和能量密度，是制備大尺寸、高品質單晶金剛石材料最具前景的方法之一。在常規(guī)的MPCVD法單晶金剛石生長工藝中，通常采用甲烷、二氧化碳等氣態(tài)碳源作為生長前驅體，也有采用石墨片、石墨粉等固態(tài)碳源作為前驅體，但無論選擇何種碳源，都需要在生長過程中持續(xù)的通入和排出大量的氫氣或氫氣甲烷等混合氣體，這種方式不僅碳源利用率較低，也造成大量高純氫氣的浪費。在CVD金剛石生長機理中，氫氣解離產生的原子氫作用類似于催化劑，其抑制了sp²相的產生，并促進了襯底表面碳懸掛鍵與含碳基團的結合，其本身并不消耗。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有MPCVD法單晶金剛石生長工藝中需要消耗大量高純氫氣，碳源利用率較低的問題，而提供一種利用固態(tài)碳源的無氣流MPCVD單晶金剛石生長方法。

本發(fā)明利用固態(tài)碳源的無氣流MPCVD單晶金剛石生長方法按照以下步驟實現(xiàn)：

一、依次通過丙酮、去離子水和無水乙醇超聲清洗金剛石籽晶，得到清洗后的單晶金剛石籽晶；

二、將清洗后的單晶金剛石籽晶放置于樣品臺中心的樣品托上，將固態(tài)碳源放置于單晶金剛石籽晶的四周(周圍)，控制固態(tài)碳源上表面的總面積(即與等離子體接觸的面積)為單晶金剛石籽晶上表面面積的10～25倍；

三、將CVD反應艙內抽真空至5×10^-3Pa以下，隨后通入高純氫氣(9N)，并升高氣壓與微波功率，直至單晶金剛石籽晶的溫度達到900～1000℃，當固態(tài)碳源溫度為650～800℃時，關閉進氣閥與抽氣閥，CVD反應艙內形成封閉環(huán)境；

四、在無氣流穩(wěn)定生長過程中，采用光譜儀對CVD反應艙內的等離子體進行監(jiān)控，測試得到的發(fā)射光譜中計算C₂(514nm)與H_α(656nm)譜線的相對強度比值，通過調節(jié)微波功率來調節(jié)固態(tài)碳源表面的溫度，從而調節(jié)原子氫對固態(tài)碳源的刻蝕速率，控制C₂(514nm)與H_α(656nm)譜線的相對強度比值為0.25-0.55之間；

五、無氣流生長所需時間后，結束生長，在單晶金剛石籽晶表面得到一定厚度的單晶金剛石外延生長層。

本發(fā)明基于MPCVD金剛石生長的過程機理，即氫氣解離產生的原子氫處于動態(tài)循環(huán)中，其本身并不消耗，因而通過固態(tài)碳源的使用，實現(xiàn)穩(wěn)定生長過程中無需向反應腔內通入和抽出氣體。在無氣流生長過程中，原子氫刻蝕固態(tài)碳源產生碳氫基團，隨后通過熱擴散粒子輸運到金剛石籽晶表面，沉積生長后原子氫脫出，此過程持續(xù)循環(huán)進行，實現(xiàn)單晶金剛石的快速生長。

附圖說明

圖1為實施例中單晶金剛石籽晶和固態(tài)碳源的擺放示意圖，其中①為水冷臺，②為金剛石籽晶，③為石墨片，④為鉬托；

圖2為實施例中無氣流生長過程中等離子體發(fā)射光譜測試圖；