CN101696515A - 金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法 - Google Patents

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Abstract

一种金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法，其特征在于所述方法包括：采用CVD化学气相沉积金刚石设备，以金刚石单晶为晶种，于700～2000℃的温度下进行气相沉积的内延修复和外延生长。该方法能够同时实现金刚石单晶的同质内延修复和同质外延生长，其可用于修复现有金刚石的内部空洞和裂纹等缺陷，去除金刚石的内部杂质和颜色，增加其透明度和洁净度，并可以在金刚石单晶外表面的各个取向上同质外延生长，得到纯净的较大尺寸金刚石单晶。该方法实现条件温和，运行成本低，可用于人造和天然金刚石单晶为晶种的修复及生长。

Description

金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法
技术领域
本发明属于金刚石气相沉积技术，具体的涉及一种用于以金刚石单晶为晶种进行金刚石修复和生长的金刚石单晶的内部缺陷的同质内延修复以及同质外延生长的方法。
背景技术
金刚石作为最被人们喜爱的珠宝装饰材料越来越稀缺，由于大量存在内部缺陷的钻石不能被用来作为珠宝材料，被贬值作为工业用材料使用。而且宝石级的大尺寸金刚石也越来越奇缺。人们发明了多种人工合成金刚石的方法，例如在超过几万个大气压的条件下合成单晶金刚石，该种合成金刚石单晶的压力设备比较昂贵，且合成金刚石的单晶尺寸受到影响，利用高温高压合成的含氮金刚石的尺寸虽然可以达到1cm的直径，但是其受杂质影响而显黄色。无色清澈的金刚石单晶被限制在直径几毫米的范围内。化学气相沉积是合成金刚石的新方法，该方法通常用于制备大尺寸的金刚石多晶膜。对于现有金刚石的内部缺陷如何修复尚属于无人解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种金刚石单同质内延修复以及同质外延生长的方法，能够同时实现金刚石单晶的内部缺陷的同质内延修复和同质外延生长，其可用于修复现有金刚石的内部空洞和裂纹等缺陷，去除金刚石的内部杂质和颜色，增加其透明度和洁净度，并可以在金刚石单晶外表面的各个取向上同质外延生长，得到纯净的较大尺寸金刚石单晶。该方法实现条件温和，运行成本低，可用于人造和天然金刚石单晶为晶种的修复及生长。
本发明所采用的技术方案如下，
一种金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法，其特征在于所述方法包括：
采用金刚石沉积设备，以金刚石单晶为晶种，于700～2000℃的温度下进行气相沉积的内延修复和外延生长。
具体地讲，所述金刚石沉积设备采用直流喷射等离子设备，或者微波等离子设备，或者热丝等离子设备。
所述金刚石于金刚石沉积设备内的沉积时间为1～30小时，该金刚石沉积设备于金刚石生长期的真空度为10～5000Pa。
所述金刚石沉积设备内的氩气载体流量为1～40升/分钟，氢气载体流量：1～50升/分钟，含碳基团载体流量为1-1000毫升/分钟。
所述含碳基团载体包括甲烷、乙烷、液化气、乙醇或者甲醇。
所述金刚石单晶的衬底材料包括金属钼，钨，或者硅，石英。
所述晶种包括天然金刚石单晶、高温高压人造金刚石单晶、或者化学气相沉积金刚石单晶。
所述晶种的直径为0.5～20毫米，重量为0.05～15克拉。
该金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法采用化学气相沉积设备，对天然金刚石单晶和人造金刚石单晶的内部空洞和裂纹等缺陷进行金刚石同质内延生长修复，同时可以在金刚石外表面的各个取向上同质外延生长，还可以去除金刚石的内部杂质和颜色，有效增加其透明度和洁净度。直流喷射等离子设备又称直流电弧等离子体喷射设备，是目前高效制备金刚石膜的重要技术装置。微波等离子体设备系采用微波等离子CVD法，可以制备面积大、均匀性好、纯度高、结晶形态好的高质量金刚石薄膜，特别适合在各种曲面(异形表面)上涂复金刚石薄膜，能制备各种不同需要的金刚石薄膜制品。并且可以原位实施基体与金刚石薄膜之间的中间层的多种不同处理工艺，适用性强。设备的使用操作简便，设备本身没有易损易耗件，能长期稳定运行，生产的重复性好。设备的能耗低，运行成本也低。微波等离子体CVD法是当前世界上研究和制备金刚石薄膜的主流方法。热丝等离子设备又称等离子热丝气相沉积设备，
其常用于解决沉积大面积金刚石厚膜的问题。本发明通过在上述制取金刚石膜的现有化学气相沉积设备，进行合理的生长温度和其它条件控制，实现了在设备和工艺上研究上的突破性进展，可用于金刚石的内部缺陷修补和外延生长，是一种变废为宝的技术革新。
本发明的有益效果在于，该方法能够同时实现金刚石单晶的同质内延修复和同质外延生长，其可用于修复现有金刚石的内部空洞和裂纹等缺陷，去除金刚石的内部杂质和颜色，增加其透明度和洁净度，并可以在金刚石单晶外表面的各个取向上同质外延生长，得到纯净的较大尺寸金刚石单晶。该方法实现条件温和，运行成本低，可用于人造和天然金刚石单晶为晶种的修复及生长。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的阐述。
具体实施方式
实施例1采用4*4*1毫米，重量为0.28克拉左右的天然金刚石单晶(4*4的晶面为100取向)作为晶种，该部分天然金刚石单晶存在裂隙和裂纹，部分为淡黄色含杂质体。采用功率为100kw，沉积面积为300平方厘米的直流喷射等离子设备作为气相沉积设备，该设备内采用金属钼或钨作为衬底材料。将该直流喷射等离子设备进行抽真空升温，保持其内温度为1200-1300℃，设备真空度保持1000-2000Pa，并控制氩气载体流量20升/分钟，氢气载体流量20升/分钟，甲烷CH4或者乙烷C2H6载体流量120-200毫升/分钟范围内，进行同质内延修复和同质外延生长控制，保持该条件20-25小时，然后进行缓慢降温并调整真空度至正常大气压。
取出该天然金刚石单晶，并进行纯度和尺寸测量，其测量结果为：
尺寸变为6*6*2。重量为0.84克拉，颜色为无色透明。生长速度：0.028克拉/小时，裂隙消失。主生长面还是100取向。
实施例2采用直径为6*6*1.5，重量为0.95克拉左右的高温高压人造金刚石单晶(6*6的晶面为110取向)作为晶种，该部分高温高压人造金刚石单晶含有氮气杂质呈淡黄色。采用功率为50kw，沉积面积为100平方厘米的微波等离子设备作为气相沉积设备，该设备内采用硅或石英作为衬底材料。将该微波等离子设备进行抽真空升温，保持其内温度为1400-1500℃，设备真空度保持10-100Pa，并控制氩气载体流量40升/分钟，氢气载体流量50升/分钟，液化气载体流量800-900毫升/分钟范围内，进行同质内延修复和外延生长，保持该条件10-16小时，然后进行缓慢降温并调整真空度至正常大气压。
取出该高温高压人造金刚石单晶，并进行纯度和尺寸测量，其测量结果为：
尺寸为7*7*3.5毫米，重量2.26克拉，晶种的浅黄色消失，变得无色透明。主生长面还是100取向。
实施例3采用直径为2*2*1毫米左右，重量为0.07克拉左右的化学气相沉积金刚石单晶(2*2的晶面为110取向)作为晶种，该化学气相沉积金刚石单晶内部有细微空洞和碳杂质。采用功率为100kw，沉积面积为300平方厘米的热丝等离子设备作为气相沉积设备，该设备内采用硅作为衬底材料。将该热丝等离子设备进行抽真空升温，保持其内温度为1000-1000℃，设备真空度保持300-400Pa，并控制氩气载体流量6-10升/分钟，氢气载体流量10-20升/分钟，乙醇或者甲醇载体流量40-60毫升/分钟范围内，进行同质内延修复，保持该条件24-30小时，然后进行缓慢降温并调整真空度至正常大气压。
取出该化学气相沉积金刚石单晶，并进行纯度和尺寸测量，其测量结果为：
尺寸变为3*3*2，重量为0.31克拉，内部的孔洞消失，内部的碳杂质是想向金刚石的转化。并且，保持主生长面还是100取向。

Claims (8)

1.一种金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法，其特征在于所述方法包括：
采用金刚石沉积设备，以金刚石单晶为晶种，于700～2000℃的温度下进行气相沉积的内延修复和外延生长。
2.根据权利要求1所述的金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法，其特征在于所述金刚石沉积设备采用直流喷射等离子设备，或者微波等离子设备，或者热丝等离子设备。
3.根据权利要求1所述的金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法，其特征在于所述金刚石于金刚石沉积设备内的沉积时间为1～30小时，该金刚石沉积设备于金刚石生长期的真空度为10～5000Pa。
4.根据权利要求3所述的金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法，其特征在于所述金刚石沉积设备内的氩气载体流量为1～40升/分钟，氢气载体流量：1～50升/分钟，含碳基团载体流量为1-1000毫升/分钟。
5.根据权利要求4所述的金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法，其特征在于所述含碳基团载体包括甲烷、乙烷、液化气、乙醇或者甲醇。
6.根据权利要求1所述的金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法，其特征在于所述金刚石单晶的衬底材料包括金属钼，钨，或者硅，石英。
7.根据权利要求1所述的金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法，其特征在于所述晶种包括天然金刚石单晶、高温高压人造金刚石单晶、或者化学气相沉积金刚石单晶。
8.根据权利要求1所述的金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法，其特征在于所述晶种的直径为0.5～20毫米，重量为0.05～15克拉。
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