CN112111786A - 一种光学级金刚石晶片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料生长技术，具体的涉及一种光学级金刚石晶片的制备方法。包括如下步骤：采用金属钼为基底，然后在金属钼上旋涂金刚石籽晶，最终将旋涂过金刚石籽晶的金属钼放入微波等离子体化学气相沉积设备中进行生长。发明的有益效果是：本发明通过使用具有凹槽的金属钼使得旋涂籽晶更容易附着、生长的金刚石与衬底结合更加紧密。使用不同晶粒尺寸的籽晶，分多次进行籽晶旋涂，得到的籽晶分布均匀，有利于金刚石的均匀生长，减小所得到金刚石中的晶界，因此更容易得到光学级金刚石。生长条件控制在一定范围是得到光学级金刚石的必要条件，调控好生长过程中的温度、压强、微波功率及甲烷浓度等条件，对生长高品质光学级金刚石非常重要。

Description

一种光学级金刚石晶片的制备方法

技术领域

本发明属于材料生长技术，具体的涉及一种光学级金刚石晶片的制备方法。

背景技术

金刚石作为宽带隙半导体材料具有许多优异的性能。金刚石具有较好的化学稳定性，且具有较大的禁带宽度（5.5 ev）、低的介电常数、高的击穿电压、高的电子空穴迁移率和高的热导率以及优越的抗辐射性能。金刚石从紫外波段到微波波段，除去4～6μm的位置存在微小的本征吸收峰外，不存在明显的吸收峰，以及超高的硬度、弹性模量和热导率等性质，被认为是最理想的光学窗口材料。为了与工具级金刚石进行区分，1995年在ADC’95会议上提出了光学级金刚石。光学级金刚石是指经过抛光后，颜色为无色透明，拉曼测试不含有金刚石特征峰以外的其他杂峰。光学级金刚石在军事及民用领域都有着不可替代的应用，如高速飞行器、超音速飞行器、雷达、粒子辐射探测器以及大功率电子器件等。单晶金刚石的尺寸因受到衬底尺寸限制，很难得到大面积的单晶金刚石，因此限制了金刚石在这些领域的应用。然而多晶金刚石可以在不同衬底上异质生长，可以弥补单晶金刚石在这方面的空缺。但是多晶金刚石内部存在晶界，并且杂质含量相对单晶金刚石要高，因此要拓展多晶金刚石在这些方面的应用，最重要的是要提高生长品质并且较少杂质含量。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提供了一种光学级金刚石晶片的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案： 一种光学级金刚石晶片的制备方法，包括如下步骤：

采用金属钼为基底，然后在金属钼上旋涂金刚石籽晶，最终将旋涂过金刚石籽晶的金属钼放入微波等离子体化学气相沉积设备中进行生长。

优选的所述金属钼表面刻有凹槽。

优选的所述金属钼为2英寸，表面刻出宽度为80-120μm的同心圆凹槽。

优选的所述金刚石籽晶经过酒精或者去离子水处理，然后经过超声处理。

优选的在金属钼上旋涂不同尺寸范围的金刚石籽晶。

优选的所述金刚石籽晶分为较大粒径和较小粒径，旋涂机先将较大粒径的金刚石籽晶旋涂在金属钼上，并使得旋涂的次数不小于一次，然后在旋涂过较大粒径的金刚石籽晶的金属钼上旋涂较小粒径的籽晶。

优选的使用的金刚石籽晶的晶粒尺寸分别为300-500 nm以及20-30 nm。

优选的生长金刚石的方法为微波等离子体化学气相沉积法。

优选的所述的光学级金刚石晶片的制备方法，生长条件如下：

甲烷浓度为2%-5%，温度为850℃-880℃，腔体压力为120-150 mbar，微波功率为3000W-5500 W。

优选的旋涂籽晶按照以下步骤实施：

1）将粒径在300-500 nm范围的金刚石籽晶分散到酒精或者去离子水中，超声处理30分钟得到处理后的金刚石籽晶A；

2）将粒径在20-30nm范围的金刚石籽晶分散到酒精或者去离子水中，超声处理30分钟，得到处理后的金刚石籽晶B；

3）在处理过的金属钼上旋涂金刚石籽晶，旋涂机调整转速为1000 转/分，旋涂粒径在300-500 nm范围的金刚石籽晶A三次，得到旋涂完籽晶的金属钼C；

4）旋涂机调整转速为2000 转/分，在金属钼C的表面旋涂粒径在20-30 nm范围的金刚石籽晶B一次得到旋涂完籽晶的金属钼D；

5）将步骤4）中的金属钼D烘干。

发明的有益效果是：本发明通过使用具有凹槽的金属钼使得旋涂籽晶更容易附着、生长的金刚石与衬底结合更加紧密。使用不同晶粒尺寸的籽晶，分多次进行籽晶旋涂，得到的籽晶分布均匀，有利于金刚石的均匀生长，减小所得到金刚石中的晶界，因此更容易得到光学级金刚石。生长条件控制在一定范围是得到光学级金刚石的必要条件，调控好生长过程中的温度、压强、微波功率及甲烷浓度等条件，对生长高品质光学级金刚石非常重要。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明实施例三中2英寸光学级金刚石晶片光学照片。

图2为本发明实施例三中2英寸光学级金刚石晶片的透过率曲线。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明,实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。

实施例1：一种光学级金刚石晶片的制备方法， 采用金属钼为基底，所述金属钼为2英寸， 所述金属钼表面刻有凹槽，该凹槽为金属钼表面刻出的宽度为80μm的同心圆凹槽。在金属钼上旋涂不同尺寸范围的金刚石籽晶。所述金刚石籽晶分为较大粒径和较小粒径，旋涂机先将较大粒径的金刚石籽晶旋涂在金属钼上，并使得旋涂的次数不小于一次，然后在旋涂过较大粒径的金刚石籽晶的金属钼上旋涂较小粒径的籽晶，使用的金刚石籽晶的晶粒尺寸分别为300nm以及20nm，所述金刚石籽晶经过酒精或者去离子水处理，然后经过超声处理，然后在金属钼上旋涂金刚石籽晶，最终将旋涂过金刚石籽晶的金属钼放入微波等离子体化学气相沉积设备中进行生长，生长金刚石的方法为微波等离子体化学气相沉积法。生长条件如下：甲烷浓度为2%，温度为850℃，腔体压力为120 mbar，微波功率为3000 W。

本方案采用金属钼为基底，在金属钼上旋涂不同粒径的金刚石籽晶，后采用微波等离子体化学气相沉积法进行生长。本发明采用金属钼为衬底，在钼表面旋涂不同粒径的纳米金刚石作为晶种，控制生长过程中的条件，最后得到2英寸光学级金刚石晶片。在本方案中，所述的金属钼衬底使用的钼纯度为99.9%，高纯度钼其热导率高，热膨胀系数小，且耐等离子体刻蚀。将钼加工为尺寸2英寸，表面有宽度为100μm的同心圆环的圆片，加工出来的同心圆环有利于金刚石的均匀成核。

旋涂籽晶按照以下步骤实施：

1）将粒径在300 nm范围的金刚石籽晶分散到酒精或者去离子水中，超声处理30分钟得到处理后的金刚石籽晶A；通过将粒径在300 nm的金刚石籽晶在酒精或者去离子水中处理相较于有机溶剂处理使得金刚石籽晶的分散性更好。

2）将粒径在20nm范围的金刚石籽晶分散到酒精或者去离子水中，超声处理30分钟，得到处理后的金刚石籽晶B；通过将粒径在20的金刚石籽晶在酒精或者去离子水中处理相较于有机溶剂处理使得金刚石籽晶的分散性更好。

3)在处理过的金属钼上旋涂金刚石籽晶，旋涂机调整转速为1000 转/分，旋涂粒径在300nm范围的金刚石籽晶A三次，得到旋涂完籽晶的金属钼C；

4）旋涂机调整转速为2000 转/分，在金属钼C的表面旋涂粒径在20 nm范围的金刚石籽晶B一次得到旋涂完籽晶的金属钼D；先旋涂粒径在300 nm的金刚石籽晶A三次然后再在此基础上旋涂粒径在20的金刚石籽晶B这样后续的粒径20 nm的金刚石籽晶可以填充因粒径为300nm的籽晶旋涂而产生的缝隙。

5）将步骤4）中的金属钼D烘干。

实施例2：一种光学级金刚石晶片的制备方法， 采用金属钼为基底，所述金属钼为2英寸， 所述金属钼表面刻有凹槽，该凹槽为金属钼表面刻出的宽度为100μm的同心圆凹槽。在金属钼上旋涂不同尺寸范围的金刚石籽晶。所述金刚石籽晶分为较大粒径和较小粒径，旋涂机先将较大粒径的金刚石籽晶旋涂在金属钼上，并使得旋涂的次数不小于一次，然后在旋涂过较大粒径的金刚石籽晶的金属钼上旋涂较小粒径的籽晶，使用的金刚石籽晶的晶粒尺寸分别为400 nm以及25nm，所述金刚石籽晶经过酒精或者去离子水处理，然后经过超声处理，然后在金属钼上旋涂金刚石籽晶，最终将旋涂过金刚石籽晶的金属钼放入微波等离子体化学气相沉积设备中进行生长，生长金刚石的方法为微波等离子体化学气相沉积法。生长条件如下：甲烷浓度为4%，温度为870℃，腔体压力为140 mbar，微波功率为5000 W。本方案采用金属钼为基底，在金属钼上旋涂不同粒径的金刚石籽晶，后采用微波等离子体化学气相沉积法进行生长。本发明采用金属钼为衬底，在钼表面旋涂不同粒径的纳米金刚石作为晶种，控制生长过程中的条件，最后得到2英寸光学级金刚石晶片。在本方案中，所述的金属钼衬底使用的钼纯度为99.9%，高纯度钼其热导率高，热膨胀系数小，且耐等离子体刻蚀。将钼加工为尺寸2英寸，表面有宽度为100μm的同心圆环的圆片，加工出来的同心圆环有利于金刚石的均匀成核。

旋涂籽晶按照以下步骤实施：

1）将粒径在400 nm范围的金刚石籽晶分散到酒精或者去离子水中，超声处理30分钟得到处理后的金刚石籽晶A；通过将粒径在300-500 nm范围的金刚石籽晶在酒精或者去离子水中处理相较于有机溶剂处理使得金刚石籽晶的分散性更好。

2）将粒径在25nm范围的金刚石籽晶分散到酒精或者去离子水中，超声处理30分钟，得到处理后的金刚石籽晶B；通过将粒径在20-30nm范围的金刚石籽晶在酒精或者去离子水中处理相较于有机溶剂处理使得金刚石籽晶的分散性更好。

3）在处理过的金属钼上旋涂金刚石籽晶，旋涂机调整转速为1000 转/分，旋涂粒径在400nm范围的金刚石籽晶A三次，得到旋涂完籽晶的金属钼C；

4）旋涂机调整转速为2000 转/分，在金属钼C的表面旋涂粒径在25nm范围的金刚石籽晶B一次得到旋涂完籽晶的金属钼D；先旋涂粒径在400 nm范围的金刚石籽晶A三次然后再在此基础上旋涂粒径在25 nm范围的金刚石籽晶B这样后续的粒径25 nm的金刚石籽晶可以填充因粒径为400nm的籽晶旋涂而产生的缝隙。

5）将步骤4）中的金属钼D烘干。

实施例3：一种光学级金刚石晶片的制备方法， 采用金属钼为基底，所述金属钼为2英寸， 所述金属钼表面刻有凹槽，该凹槽为金属钼表面刻出的宽度为120μm的同心圆凹槽。在金属钼上旋涂不同尺寸范围的金刚石籽晶。所述金刚石籽晶分为较大粒径和较小粒径，旋涂机先将较大粒径的金刚石籽晶旋涂在金属钼上，并使得旋涂的次数不小于一次，然后在旋涂过较大粒径的金刚石籽晶的金属钼上旋涂较小粒径的籽晶，使用的金刚石籽晶的晶粒尺寸分别为500 nm以及30 nm，所述金刚石籽晶经过酒精或者去离子水处理，然后经过超声处理，然后在金属钼上旋涂金刚石籽晶，最终将旋涂过金刚石籽晶的金属钼放入微波等离子体化学气相沉积设备中进行生长，生长金刚石的方法为微波等离子体化学气相沉积法。生长条件如下：甲烷浓度为5%，温度为880℃，腔体压力为150 mbar，微波功率为5500 W。

本方案采用金属钼为基底，在金属钼上旋涂不同粒径的金刚石籽晶，后采用微波等离子体化学气相沉积法进行生长。本发明采用金属钼为衬底，在钼表面旋涂不同粒径的纳米金刚石作为晶种，控制生长过程中的条件，最后得到2英寸光学级金刚石晶片。在本方案中，所述的金属钼衬底使用的钼纯度为99.9%，高纯度钼其热导率高，热膨胀系数小，且耐等离子体刻蚀。将钼加工为尺寸2英寸，表面有宽度为100μm的同心圆环的圆片，加工出来的同心圆环有利于金刚石的均匀成核。

旋涂籽晶按照以下步骤实施：

1）将粒径在500 nm范围的金刚石籽晶分散到酒精或者去离子水中，超声处理30分钟得到处理后的金刚石籽晶A；通过将粒径在300-500 nm范围的金刚石籽晶在酒精或者去离子水中处理相较于有机溶剂处理使得金刚石籽晶的分散性更好。

2）将粒径在30nm范围的金刚石籽晶分散到酒精或者去离子水中，超声处理30分钟，得到处理后的金刚石籽晶B；通过将粒径在20-30nm范围的金刚石籽晶在酒精或者去离子水中处理相较于有机溶剂处理使得金刚石籽晶的分散性更好。

3）在处理过的金属钼上旋涂金刚石籽晶，旋涂机调整转速为1000 转/分，旋涂粒径在500 nm范围的金刚石籽晶A三次，得到旋涂完籽晶的金属钼C；

4）旋涂机调整转速为2000 转/分，在金属钼C的表面旋涂粒径在30 nm范围的金刚石籽晶B一次得到旋涂完籽晶的金属钼D；先旋涂粒径在500 nm范围的金刚石籽晶A三次然后再在此基础上旋涂粒径在30 nm范围的金刚石籽晶B这样后续的粒径30 nm的金刚石籽晶可以填充因粒径为500 nm的籽晶旋涂而产生的缝隙。

5）将步骤4）中的金属钼D烘干。

所述的金刚石籽晶为纳米级金刚石微粉，首先将粒径在300-500 nm范围的金刚石籽晶分散到水中，超声30 分钟，放置备用。随后将粒径在20-30 nm范围的金刚石籽晶分散到水中，超声30分钟，放置备用。加工好的金属钼片首先用稀盐酸浸泡，以去除其表面无机杂质。然后用水将盐酸冲洗掉，随后将金属钼片依次在丙酮、酒精、去离子水中超声，去除其表面有机杂质，最后在烘干机中烘干。将烘干的钼片放置在旋涂机上，真空泵打开后，钼片固定在旋转台上，将分散好的300-500 nm范围的籽晶均匀的滴涂在钼片表面，调整转速为1000 转/分进行旋涂，重复三次。之后将分散好的20-30 nm范围的金刚石籽晶均匀的滴涂在钼片上，调整转速为2000 转/分进行旋涂，最后将钼片放进烘干机，将水分烘干。上述方案中，所述的生长过程是在微波等离子体化学气相沉积设备中进行的，具体操作步骤为：将旋涂过金刚石籽晶的钼片放入微波等离子体化学气相沉积设备中，将腔体抽真空，调整功率及压强，将温度升高至850℃，通入甲烷，生长一定时间后，金刚石晶片厚度达到0.7 mm。控制设备参数，使金刚石晶片温度下降，在降温过程中，金刚石晶片从钼片上完整脱落下来，随后将金刚石晶片进行抛光处理，即可得到2英寸光学级金刚石晶片。对抛光过的金刚石晶片进行光透过率测试，其透过率可达70%。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学级金刚石晶片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用金属钼为基底，然后在金属钼上旋涂金刚石籽晶，最终将旋涂过金刚石籽晶的金属钼放入微波等离子体化学气相沉积设备中进行生长。

2.根据权利要求1所述的光学级金刚石晶片的制备方法，其特征在于：所述金属钼表面刻有凹槽。

3.根据权利要求2所述的光学级金刚石晶片的制备方法，其特征在于：所述金属钼为2英寸，表面刻出宽度为80-120μm的同心圆凹槽。

4.根据权利要求3所述的光学级金刚石晶片的制备方法，其特征在于：所述金刚石籽晶经过酒精或者去离子水处理，然后经过超声处理。

5.根据权利要求3所述的光学级金刚石晶片的制备方法，其特征在于：在金属钼上旋涂不同尺寸范围的金刚石籽晶。

6.根据权利要求5所述的光学级金刚石晶片的制备方法，其特征在于：所述金刚石籽晶分为较大粒径和较小粒径，旋涂机先将较大粒径的金刚石籽晶旋涂在金属钼上，并使得旋涂的次数不小于一次，然后在旋涂过较大粒径的金刚石籽晶的金属钼上旋涂较小粒径的籽晶。

7.根据权利要求5所述的光学级金刚石晶片的制备方法，其特征在于：使用的金刚石籽晶的晶粒尺寸分别为300-500 nm以及20-30 nm。

8.根据权利要求1所述的光学级金刚石晶片的制备方法，其特征在于：生长金刚石的方法为微波等离子体化学气相沉积法。

9.根据权利要求8所述的光学级金刚石晶片的制备方法，其特征在于：生长条件如下：

甲烷浓度为2%-5%，温度为850℃-880℃，腔体压力为120-150 mbar，微波功率为3000W-5500 W。

10.如权利要求1-9任一项所述的光学级金刚石晶片的制备方法，旋涂籽晶按照以下步骤实施：

1）将粒径在300-500 nm范围的金刚石籽晶分散到酒精或者去离子水中，超声处理30分钟得到处理后的金刚石籽晶A；

2）将粒径在20-30nm范围的金刚石籽晶分散到酒精或者去离子水中，超声处理30分钟，得到处理后的金刚石籽晶B；

3）在处理过的金属钼上旋涂金刚石籽晶，旋涂机调整转速为1000 转/分，旋涂粒径在300-500 nm范围的金刚石籽晶A三次，得到旋涂完籽晶的金属钼C；

4）旋涂机调整转速为2000 转/分，在金属钼C的表面旋涂粒径在20-30 nm范围的金刚石籽晶B一次得到旋涂完籽晶的金属钼D；

5）将步骤4）中的金属钼D烘干。

Images