一種微波等離子體化學氣相法生長單晶金剛石的基片臺和方法
【專利摘要】本發明涉及一種微波等離子體化學氣相法生長單晶金剛石的基片臺和方法，屬于晶體合成領域。為一表面光滑的鉬片，在其上表面加工有一個方形凹槽，該凹槽由內凹槽和外凹槽組成臺階形，所述內凹槽用于盛放金剛石籽晶，深度與放入的金剛石籽晶的厚度相同；所述外凹槽深度為0.5毫米。本發明利用凹槽能抑制金剛石籽晶邊緣的過快生長、保持生長面均勻平整的作用，顯著地提高了人工生長的單晶金剛石的質量。在生長過程中，需要調節凹槽的形狀及尺寸，使金剛石整個生長面生長速率保持均一。本發明設計有著設計制作簡單、使用范圍廣及生長的金剛石品質高的優點。
【專利說明】
一種微波等離子體化學氣相法生長單晶金剛石的基片臺和方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種微波等離子體化學氣相法生長單晶金剛石的基片臺和方法，屬于晶體合成領域。
【背景技術】
[0002]微波等離子體化學氣相法(MPCVD)是一種成本低、質量高、易操控的人工制備金剛石的方法。其基本原理是使用微波在低分子碳烴氣體(比如甲烷)與氫氣的混合氣體中激發等離子體。在這等離子體的高溫環境中，碳原子將會沉積到放置在基片臺的籽晶上，從而實現單晶金剛石的人工生長。
[0003]基片臺的結構設計是影響單晶金剛石生長質量的一個重要因素。通常使用的普通基片臺是一塊尺寸合適的鉬片，將單晶金剛石籽晶放置其上即開始生長。此種基片臺用于生長時缺點有二:
一、金剛石生長不平整，對于一個正方形的金剛石薄膜，其四周邊緣的生長速度著高于中間內部，隨著生長逐漸形成凹陷形狀。這是由于在鉬片上金剛石直接暴露在等離子體火焰中，中間與邊緣所處生長環境不同，邊緣處溫度較高，導致生長較快。
[0004]二、金剛石所生長的四周隆起的部分主要是由多晶金剛石組成，使拋光處理的難度增大。而且處理后頂部平整面積小于初始籽晶面積，這顯著降低了制備的單晶金剛石的質量和有效面積。這些負面后果，也都是由前述提到的生長環境不同導致的。
[0005]總而言之，如圖1所示的那樣，在生長從to開始后，隨時間由to到&再到生長結束時t2，從通常使用的基片臺上長出的金剛石，其存在生長形狀不平整、多晶雜質多的缺點。
【發明內容】
[0006]針對現有基片臺的缺點，本發明所要解決的技術問題是提供一種微波等離子體化學氣相法生長單晶金剛石的基片臺和方法。使用本發明的基片臺和方法，能顯著地改善舊有基片臺生長的單晶金剛石平整度低、多晶雜質含量高的缺點。
[0007]本發明的基片臺的結構如下:
如圖2所示，為一表面光滑的鉬片，在其上表面加工有一個方形凹槽，該凹槽由內凹槽和外凹槽組成臺階形。所述內凹槽用于盛放金剛石籽晶，所述外凹槽用于持續抑制籽晶邊緣的過快生長。
[0008]為使籽晶表面溫度分布均勻以及金剛石籽晶能順利放入，內凹槽的長度和寬度比放入的金剛石籽晶的長度和寬度分別長0-0.5毫米，深度比放入的金剛石籽晶的厚度大O到
0.2毫米。為使得籽晶在生長時，所述外凹槽深度為0.2-0.8毫米，長度和寬度比內凹槽分別長0-0.5暈米。
[0009]籽晶放入凹槽后在其內部進行生長，生長過程中當金剛石的高度長到與外凹槽上沿水平線同樣高時，就需對凹槽大小和深度做出調整或者對凹槽進行更換。
[0010]本發明中，籽晶外沿距離內凹槽和外凹槽側壁的距離，以及籽晶上表面離外凹槽上沿水平線的距離是決定最終生長效果的關鍵因素，上述內外凹槽尺寸是對實施例中的金剛石籽晶尺寸優化得到的數值。對不同尺寸的籽晶，應設計與之匹配的不同大小的凹槽。
[0011]使用本發明所述的基片臺，采用微波等離子體化學氣相法生長單晶金剛石的方法，一般步驟為:
步驟一:打開CVD反應腔，安置本發明所述的基片臺，放入金剛石籽晶，開啟CVD設備，將反應腔抽至接近真空；
步驟二:通入氫氣，開啟微波并調節功率，點燃等離子體，調節反應腔壓強，刻蝕金剛石籽晶;
步驟三:開始通入低分子碳烴氣體(比如甲烷)，進行金剛石生長；
步驟四:由于金剛石在實驗過程中會不斷長大，當金剛石的高度長到與外凹槽上沿水平線同樣高時，更換基片臺，更換后新的基片臺的外凹槽上沿水平線比此時得到的金剛石厚度仍舊高0.2-0.8毫米。
[0012]步驟四中，作為一種優選，更換后的基片臺，其內凹槽長度和寬度比此時得到的金剛石仍舊大0-0.5毫米，外凹槽的長度和寬度分別比內凹槽長0-0.5毫米。
[0013]實驗表明，我們設計的凹槽基片臺使得籽晶側面與微波等離子體隔離開來，等離子體在籽晶上表面均勻覆蓋。這為金剛石生長提供了均勻的溫度環境及均勻的離化碳原子沉積速率，最終使金剛石在籽晶的上表面平整生長并且極大地減少了其側面和四周的多晶雜質。如圖3所示并對比圖1，在使用了凹槽樣品臺后，金剛石籽晶上的生長在全平面上都比較均勻，因此最終得到的金剛石成品也品質很高。
【附圖說明】
[0014]圖1是在通常使用的普通基片臺上生長單晶金剛石的生長過程示意圖。
[0015]圖2是本發明的基片臺結構設計圖。
[0016]圖3是在本發明的基片臺上生長單晶金剛石的過程示意圖。
[0017]圖4是普通基片臺生長單晶金剛石一定厚度后形態。
[0018]圖5是本發明基片臺生長單晶金剛石一定厚度后形態。
【具體實施方式】
[0019]下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案做進一步的說明。
[0020]實施例1.采用新設計的凹槽基片臺生長高品質單晶金剛石
步驟一:實施過程中我們設計了一個系列的系列凹槽鉬基片臺(參見圖2)。其中任意一基片臺的凹槽都由內凹槽和外凹槽兩部分嵌套而成。內凹槽是尺寸(a+0.2)毫米X (a+0.2)毫米的方形結構，其中a是金剛石籽晶寬度(本實施例中，為4毫米)。外凹槽是尺寸為(a+
0.4)毫米X (a+0.4)毫米的方形結構。內凹槽和外凹槽中間有一臺階，臺階的寬度為0.2毫米，臺階高度(即內凹槽的深度)比外凹槽深度小0.5毫米。整個系列中不同基片臺的區別就是它們的凹槽總深度不同，深度從最小到最大分別比初始籽晶厚度依次大0.5毫米，1.0毫米，1.5毫米等。
[0021]步驟二:打開CVD反應腔，把凹槽總深度比初始籽晶厚度大0.5毫米的凹槽基片臺安置在反應腔中部，放入需要生長的籽晶襯底，注意籽晶襯底四周要與凹槽側壁有0.2毫米的間隙。良好的生長過程要求籽晶的大小約為a毫米Xa毫米，高度約為凹槽深度減去0.5毫米。即籽晶距離內凹槽側壁的間隙為0.2毫米左右，距離外凹槽側壁的間隙為0.4毫米左右，距離凹槽上表面的距離為0.5毫米范圍左右。關閉反應腔及裝置抽氣閥門并抽真空。
[0022]步驟三:通入氫氣，打開微波源，逐漸增大微波功率，直至反應腔體內的氫氣開始放電，產生微波等離子體，注意放電條件是在低壓下進行。調節反應腔的壓強和微波功率使等離子體至合適溫度(以上參數視實驗過程具體調節)。開始對籽晶表面刻蝕，時間為15min左右。
[0023]步驟四:通入低分子碳烴氣體(比如甲烷)通過調節流量計的大小，調整碳烴氣體的濃度約為3.5%_6%左右(視具體實驗而定)，調整反應腔的壓強和微波功率，控制籽晶表面溫度為800-1000攝氏度左右。這時會觀測到等離子氣體均勻的覆蓋在籽晶上表面，開始單晶金剛石生長。
[0024]步驟五:此步包括若干個階段，(視具體實際情況而定)在每一階段末期當籽晶的厚度與外凹槽上沿水平線持平時，調節凹槽深度和大小或更換凹槽，使得調節或更換后的凹槽比樣品仍深0.5毫米，內凹槽橫向尺寸比金剛石尺寸仍大0.2毫米。不斷重復這一“生長一一調節”的過程，直至金剛石達到滿意的厚度。在這一步驟中，在各個階段，我們的連續觀測發現，金剛石的生長沒有出現像用普通基片臺而導致的金剛石四周生長速度明顯高于中間的現象(參見圖4)，而是整個生長面總是保持平整，從而獲得了平滑的金剛石單晶(參見圖5)。
[0025]在本實施例中，各個生長階段要保持反應腔的壓強，以及微波功率相同，僅僅是調節不同深度和大小的凹槽基片臺，保持金剛石單晶外沿離內凹槽側壁距離為0.2毫米左右，距離外凹槽上沿水平線的距離在0.5毫米范圍以內，避免由其他的一些不同因素而影響實驗結果。
[0026]實施例2.采用普通基片臺生長(對比)。
[0027]用普通鉬基片臺實施生長，控制生長條件與新型凹槽基片臺生長條件(反應腔體壓強，微波功率，使用的籽晶大小)完全相同，亦即除樣品臺為普通鉬基片臺外，同樣實施上述步驟二，步驟三，步驟四，生長約24小時后發現，金剛石單晶的表面極其不平整，四周生長速度遠遠高于中間，由于表面溫度不均勻以及C原子沉積速率不同，導致邊緣出現多晶以及一些非晶碳(參見圖4)。
[0028]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【主權項】
1.一種微波等離子體化學氣相法生長單晶金剛石的基片臺，其特征在于，為一表面光滑的鉬片，在其上表面加工有一個方形凹槽，該凹槽由內凹槽和外凹槽組成臺階形，所述內凹槽用于盛放金剛石籽晶，所述外凹槽用于持續抑制籽晶邊緣的過快生長。2.根據權利要求1所述的基片臺，其特征在于，內凹槽的長度和寬度比放入的金剛石籽晶的長度和寬度分別長0-0.5毫米，深度比放入的金剛石籽晶的厚度大O到0.2毫米，所述外凹槽深度為0.2-0.8毫米，長度和寬度比內凹槽分別長0-0.5毫米。3.使用權利要求1所述的基片臺生長單晶金剛石的方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟一:打開CVD反應腔，安置本發明所述的基片臺，放入金剛石籽晶，開啟CVD設備，將反應腔抽至接近真空； 步驟二:通入氫氣，開啟微波并調節功率，點燃等離子體，調節反應腔壓強，刻蝕金剛石籽晶; 步驟三:開始通入低分子碳烴氣體，進行金剛石生長； 步驟四:由于金剛石在實驗過程中會不斷長大，當金剛石的高度長到與外凹槽上沿水平線同樣高時，更換基片臺，更換后新的基片臺的外凹槽上沿水平線比此時得到的金剛石厚度仍舊高0.2-0.8毫米。4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟四中，更換后的基片臺，其內凹槽長度和寬度比此時得到的金剛石仍舊大0-0.5毫米，外凹槽的長度和寬度分別比內凹槽長0-0.5毫米。5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟三中，低分子碳烴氣體為甲烷。
【文檔編號】C30B25/12GK106048719SQ201610535372
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月8日
【發明人】賈俊基, 劉佳偉, 劉雄輝, 王耀光, 劉剛
【申請人】武漢大學