專利名稱：利用添加N₂O氣體化學(xué)氣相沉積金剛石單晶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬金剛石單晶材料及其制備方法的技術(shù)領(lǐng)域，涉及等離子體化學(xué)氣相沉 積高速生長金剛石單晶的方法。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)80年代以來，國際上開始利用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor
Deposition-CVD)方法制備金剛石薄膜。該方法因其成本低、可大面積沉積多晶金剛石膜 等特點(diǎn)得到迅速發(fā)展，并在技術(shù)上已經(jīng)成熟。但由于多晶膜中存在大量的晶界和缺陷， 無法滿足金剛石在電子器件等方面的要求；而同質(zhì)外延方法生長單晶金剛石的生長速率 又較低(一般小于5-10微米/小時)，生長厚度為毫米級的金剛石單晶膜需要連續(xù)生長 100-200小時以上，對生長系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高，大量增加了成本。2002年，美國華 盛頓卡內(nèi)基研究所開發(fā)出同質(zhì)外延高速生長單晶金剛石的方法，生長速率高達(dá)50-150微 米/小時，可獲得10克拉的金剛石單晶。區(qū)別于通常的高溫高壓合成金剛石單晶的方 法，CVD方法生產(chǎn)金剛石單晶，具有設(shè)備簡單、易操作、重復(fù)性好、晶體的生長尺寸不 受限制等優(yōu)點(diǎn)。從長遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢可以看出這種方法正成為生產(chǎn)低成本、大顆粒單晶金 剛石最有前景的方法。和本發(fā)明最接近的是申請?zhí)枮?00710055326.4的發(fā)明專利，該發(fā)明專利所用生 長輔助氣體為N2,氮?dú)獾囊肽芴岣呱L速率，但在高氮?dú)鉂舛葧r單晶的顏色加深，影 響金剛石單晶質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，利用一種新的輔助氣體——N2CK笑氣)替代氮 氣，提高同質(zhì)外延CVD金剛石單晶生長速率，并且提高金剛石單晶的質(zhì)量。本發(fā)明的具體技術(shù)方案是一種利用添加N2O氣體化學(xué)氣相沉積金剛石單晶的方法，采用微波等離子體化 學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，將單晶金剛石基底經(jīng)機(jī)械拋光、丙酮中超聲清洗處理后置放在樣品托 中，然后將樣品托及單晶金剛石基底放入微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的沉積室內(nèi)； 將沉積室內(nèi)壓強(qiáng)抽至O.lPa以下再向沉積室內(nèi)充入氫氣(H2)、甲烷(CH4)和笑氣(N2O)， 流量比為H2 CH4 N2O = 750 75 90 2 10，在微波功率2 2.5kw、基底溫 度900 1100°C，氣壓13 40kPa下生長金剛石單晶。生長金剛石單晶結(jié)束后，進(jìn)行后處理；后處理的具體過程為將樣品從樣品托 中取出，在濃硫酸和濃硝酸中蒸煮，除去石墨相等其他非金剛石相，其中按體積比濃硫 酸濃硝酸=1 2 2 1 ；再通過機(jī)械拋光獲得平整的單晶生長面。得到的單晶生 長面可以進(jìn)行重復(fù)生長。所述的單晶金剛石基底，可以是高溫高壓方法生長的金剛石單晶，也可以是化 學(xué)氣相沉積的(CVD)金剛石單晶。最好的生長面為金剛石的(100)面，即使用單晶金剛石的(100)面作為生長面。可以通過改變沉積室的氣壓或微波功率來改變單晶生長溫度，從而改變金剛石 單晶的生長速率。本發(fā)明的方法可以獲得高質(zhì)量的金剛石單晶。金剛石單晶生長速度不低于125 微米/小時，甚至可以達(dá)到150微米/小時，厚度可2-4毫米以上。眾所周知，由溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖已成為引起世人關(guān)注的焦點(diǎn)問題。2009 年8月份，美國一項最新研究顯示，N2O這種無色有甜味的氣體已經(jīng)成為人類排放的首要 消耗臭氧物質(zhì)。是一種具有溫室效應(yīng)的氣體，與CO2相比，其單分子增溫潛勢是CO2的 310倍。對全球氣候的增溫效應(yīng)在未來將越來越顯著，N2O濃度的增加，已經(jīng)引起科學(xué) 家的極大關(guān)注。本發(fā)明設(shè)計了一種新的高速生長金剛石單晶的方法，采用溫室氣體N2O 來輔助生長金剛石單晶，即利用了任意排放能導(dǎo)致溫室效應(yīng)的廢氣，又促進(jìn)了金剛石的 生產(chǎn)，同時保證了生長金剛石單晶的質(zhì)量。具有方法簡單，生長速度快，質(zhì)量好，成本 低，污染小，節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明方法在不同笑氣流量下單晶金剛石生長速率的比較圖。圖2是比較例1笑氣流量為Osccm時生長的單晶金剛石形貌圖。圖3是實施例2笑氣流量為2SCCm時生長的單晶金剛石形貌圖。圖4是實施例3笑氣流量為5SCCm時生長的單晶金剛石形貌圖。圖5是實施例4笑氣流量為Ssccm時生長的單晶金剛石形貌圖。圖6是實施例5笑氣流量為IOsccm時生長的單晶金剛石形貌圖。
具體實施例方式下面實施例是對本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是限制本發(fā)明請求保護(hù)的范圍。實施例1采用Seki公司的ASTex 5250型5kw(2.45GHz)微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè) 備，采用高溫高壓Ib型單晶(100)金剛石作為基底，在其上同質(zhì)外延高速生長單晶金剛 石。單晶金剛石基底的上下(100)兩面經(jīng)過機(jī)械拋光處理，然后在丙酮中超聲清洗，最 后將其置于多晶金剛石樣晶托中，放入沉積室內(nèi)。先將沉積室內(nèi)壓強(qiáng)抽至O.lPa以下。 實驗中所用氣體為高純的甲烷(純度99.99% )、氫氣(純度99.999% )和笑氣(純度 99.999% )0生長階段，通入氫氣、甲烷和笑氣，流量分別為750、75、2sccm ；在壓強(qiáng) 13kPa、微波功率2.0kw的條件下生長2小時。通過紅外測溫儀(日本CHINO公司生產(chǎn) IR-GZOlN型)測量得到生長階段的基底溫度為900°C。獲得單晶顏色淺黃，表面有臺 階，生長速率52μιη/1ι。實施例2沉積系統(tǒng)同實施例1。生長階段，通入氫氣、甲烷和笑氣，流量分別為750、 90、2sccm ；在壓強(qiáng)40kPa、微波功率2.0kw的條件下生長2小時。通過紅外測溫儀(日 本CHINO公司生產(chǎn)IR-GZOlN型)測量得到生長階段的基底溫度為1000°C。獲得單晶 顏色黃，表面有淡淡的橘皮狀紋路、較平整，生長速率為135 μ m/h。
實施例3沉積系統(tǒng)同實施例1。生長階段，通入氫氣、甲烷和笑氣，流量分別為750、 90、5sccm ；在壓強(qiáng)40kPa、微波功率2.0kw的條件下生長2小時。通過紅外測溫儀(日 本CHINO公司生產(chǎn)IR-GZOlN型)測量得到生長階段的基底溫度為1000°C。獲得單晶 顏色淺黃，表面平整，生長速率125ym/h。實施例4沉積系統(tǒng)同實施例1。生長階段，通入氫氣、甲烷和笑氣，流量分別為750、 90、8sccm ；在壓強(qiáng)40kPa、微波功率2.0kw的條件下生長2小時。通過紅外測溫儀(日 本CHINO公司生產(chǎn)IR-GZOlN型)測量得到生長階段的基底溫度為1000°C。獲得單晶 顏色棕黃，表面較平整，局部有小丘，生長速率為130 μ m/h。實施例5沉積系統(tǒng)同實施例1。生長階段，通入氫氣、甲烷和笑氣，流量分別為750、 90、IOsccm ；在壓強(qiáng)40kPa、微波功率2.0kw的條件下生長2小時。通過紅外測溫儀(日 本CHINO公司生產(chǎn)IR-GZOlN型)測量得到生長階段的基底溫度為1000°C。獲得單晶 顏色黑褐，表面有細(xì)密的橘皮狀紋路，生長速率125 μ m/h。實施例6沉積系統(tǒng)同實施例1。生長階段，通入氫氣、甲烷和笑氣，流量分別為750、 75、IOsccm ；在壓強(qiáng)40kPa、微波功率2.5kw的條件下生長2小時。通過紅外測溫儀(日 本CHINO公司生產(chǎn)IR-GZOlN型)測量得到生長階段的基底溫度為1100°C。獲得單晶 顏色黑，表面較平坦，生長速率156 μ m/h。比較例1沉積系統(tǒng)同實施例1。生長階段，通入氫氣和甲烷，流量分別為750、90sccm, 沒有通入笑氣；在壓強(qiáng)40kPa、微波功率2.0kw的條件下生長2小時。通過紅外測溫儀 (日本CHINO公司生產(chǎn)IR-GZOlN型)測量得到生長階段的基底溫度為1000°C。獲得單 晶顏色淺黃，有大量臺階，生長速率為90 μ m/h。比較比較例1和實施例2、3、4、5，當(dāng)微波功率為2kw，反應(yīng)壓強(qiáng)為40kPa時， 氫氣、甲烷流量分別為750、90sccm,單晶金剛石生長速率隨笑氣流量的變化如圖1所 示，在風(fēng)0流量為2SCCm處，生長速率可以達(dá)到135ym/h;繼續(xù)增加風(fēng)0流量(> 2sccm),生長速率雖略有下降(> 120 μ m/h)，但是單晶質(zhì)量有所提高。圖2 6分別給出比較例1和實施例2、3、4、5制備的單晶金剛石形貌照片。 其中，圖4是在笑氣流量為5SCCm時，厚度1130 μ m的高溫高壓金剛石基底(Ib)經(jīng)過2 小時的生長過程，厚度可增加到1380 μ m，生長速度為125 μ m/h，獲得的金剛石表面平 坦、透明度高。N2O流量達(dá)到lOsccm后，沉積的金剛石單晶質(zhì)量有所下降，證明不再適 合增加流量。本發(fā)明的實施例所描述的單晶金剛石生長方法是在微波等離子體化學(xué)氣相沉積 系統(tǒng)(MWPCVD)的沉積室中進(jìn)行的，但不局限于微波等離子體化學(xué)氣相沉積方法，在 其他可能生長單晶金剛石的系統(tǒng)中，如熱燈絲CVD，直流電弧等離子體噴射CVD，熱陰 極直流等離子體CVD等系統(tǒng)同樣適用。
權(quán)利要求
1.一種利用添加N2O氣體化學(xué)氣相沉積金剛石單晶的方法，采用微波等離子體化 學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，將單晶金剛石基底經(jīng)機(jī)械拋光、丙酮中超聲清洗處理后置放在樣品托 中，然后將樣品托及單晶金剛石基底放入微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的沉積室內(nèi)； 將沉積室內(nèi)壓強(qiáng)抽至O.lPa以下再向沉積室內(nèi)充入氫氣、甲烷和N2O,流量比為H2 C H4 N2O = 750 75 90 2 10，在微波功率2 2.5kw、基底溫度900 1100°C， 氣壓13kPa 40kPa下生長金剛石單晶。
2.如權(quán)利要求1所述的利用添WN2O氣體化學(xué)氣相沉積金剛石單晶的方法，其特征在 于，生長金剛石單晶結(jié)束后，進(jìn)行后處理；后處理的具體過程為將樣品從樣品托中取 出，在濃硫酸和濃硝酸中蒸煮，除去石墨相等其他非金剛石相，其中按體積比濃硫酸 濃硝酸=1 2 2 1 ；再通過機(jī)械拋光獲得平整的單晶生長面。
3.如權(quán)利要求1或2所述的利用添WN2O氣體化學(xué)氣相沉積金剛石單晶的方法，其特 征在于，所述的單晶金剛石基底，是高溫高壓方法生長的金剛石單晶或化學(xué)氣相沉積的 金剛石單晶；單晶金剛石的(100)面作為生長面。
全文摘要
本發(fā)明的利用添加N2O氣體化學(xué)氣相沉積金剛石單晶的方法屬金剛石單晶材料及其制備方法的技術(shù)領(lǐng)域。采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，將單晶金剛石基底經(jīng)拋光超聲清洗處理后置于樣品托放在沉積室內(nèi)，向沉積室內(nèi)充入氫氣、甲烷和笑氣，流量比為H2∶CH4∶N2O＝750∶75～90∶2～10，在微波功率2～2.5kw、基底溫度900～1100℃，氣壓13～40kPa下生長金剛石單晶。本發(fā)明具有方法簡單，生長速度快，質(zhì)量好，成本低，污染小等優(yōu)點(diǎn)，在N2O濃度的增加對全球氣候增溫效應(yīng)越來越顯著情況下，既利用廢氣節(jié)能減排，又促進(jìn)了金剛石的生產(chǎn)。
文檔編號C30B25/20GK102021649SQ20101060398
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者呂憲義, 成紹恒, 李紅東, 王啟亮, 蘇穎 申請人:吉林大學(xué)