CN114318521A

CN114318521A - 一种金刚石生长方法

Info

Publication number: CN114318521A
Application number: CN202111633010.5A
Authority: CN
Inventors: 王新强; 王忠强; 刘南柳; 陶仁春; 王�琦; 张国义
Original assignee: Dongguan Institute of Opto Electronics Peking University
Current assignee: Dongguan Institute of Opto Electronics Peking University
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本申请公开了一种金刚石生长方法，所述生长方法包括如下步骤：S1、选取金刚石籽晶，S2、选取陪料，S3、金刚石籽晶转移，S4、抽真空，S5、金刚石生长，S6、取出金刚石成品。本申请中陪料包围金刚石籽晶，金刚石籽晶有一部分露出陪料，陪料的导热率比金刚石低，陪料的存在能减少金刚石生长面与非生长面之间的温差，避免金刚石在生长过程中由于局部温差过大而产生应力或生长出多晶，陪料与金刚石籽晶一起保持振动或转动，可以使得金刚石籽晶的不同表面都有机会接触包含碳源的等离子体，便于金刚石籽晶在三维方向连续生长。

Description

一种金刚石生长方法

技术领域

本申请涉及金刚石制备领域，尤其是一种金刚石生长方法。

背景技术

金刚石是一种由碳元素组成的矿物，是石墨的同素异形体，化学式为C，也是常见的钻石的原身，金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质，石墨可以在高温、高压下形成人造金刚石，金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具，也是一种贵重宝石。

单晶金刚石具有优异的物理化学性能，在机械、电子和珠宝等领域具有重要的应用价值，为了拓展这些应用，需要制备出大颗粒金刚石，在金刚石制备方法中，微波等离子体化学气相沉积法以其等离子体功率密度高、无电极放电污染和性能稳定等特性成为制备高品质金刚石的首选方法。使用该方法生产大颗粒单晶金刚石的工艺过程中，普遍采用将金刚石籽晶固定在沉积台上，通过冷却沉积台对籽晶进行温度控制，氢气携带含碳气体，送入沉积腔室，微波将碳氢混合气体激发成等离子体而使籽晶生长，该法还存在一些不足之处，由于晶体侧边与中心的生长环境差异，往往引起金刚石晶体上表面边角部位比中间部位生长速度快，能量局域集中导致温度不均匀，出现多晶或非晶碳化，位错越来越多并向生长面中央蔓延，导致单晶生长面越来越小，需要反复清洗切割后再生长或拼接生长，严重影响生产效率与产品质量。因此，针对上述问题提出一种金刚石生长方法。

发明内容

在本实施例中提供了一种金刚石生长方法用于解决现有技术中的晶体侧边与中心的生长环境差异，往往引起金刚石晶体上表面边角部位比中间部位生长速度快，能量局域集中导致温度不均匀，出现多晶或非晶碳化，位错越来越多并向生长面中央蔓延，导致单晶生长面越来越小，需要反复清洗切割后再生长或拼接生长，严重影响生产效率与产品质量问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种金刚石生长方法，所述生长方法包括如下步骤：

S1、选取金刚石籽晶，选取大小合适、无明显瑕疵、质量良好的金刚石样品，并对金刚石样品进行预处理，得到光滑且清洗干净的金刚石籽晶；

S2、选取陪料，选取大小合适、无明显瑕疵的球形的陪料；

S3、金刚石籽晶转移，将金刚石籽晶和陪料放置在微波增强等离子体化学气相沉积设备沉积腔内的样品托上；

S4、抽真空，利用进出气设备将微波增强等离子体化学气相沉积设备沉积腔内抽成真空状态，并利用微波增强等离子体化学气相沉积设备的转动轴带动样品托运动；

S5、金刚石生长，利用加气设备向微波增强等离子体化学气相沉积设备沉积腔内通入混合工艺气体，达到初始化气压后，开启微波增强等离子体化学气相沉积设备的微波源，并同步增加微波功率，当金刚石籽晶的温度达到设定温度后，保持生长工艺稳定，使金刚石生长；

S6、取出金刚石成品，S5步骤中金刚石籽晶生长到设定时间后，逐步降低工艺气体的流量以及微波源的功率及腔压，直至微波功率降到设定值后关断工艺气体及微波电源，继续抽真空，当真空度达到设定值后，通过进出气设备通入空气破真空，当微波增强等离子体化学气相沉积设备沉积腔内的压力恢复到环境压力后，取出长大的金刚石成品。

进一步地，所述S1步骤中对金刚石样品进行预处理的步骤为：

步骤一、研磨处理，利用研磨设备对金刚石样品进行研磨处理，得到表面光滑的金刚石样品；

步骤二、超声波清洗处理，将步骤一中的金刚石样品放入盛有清洗液的清洗容器内，并将容器放入超声波清洗设备的清洗槽中，在超声波下进行清洗；

步骤三、第一次干燥处理，将步骤二中清洗后的金刚石样品放入烘干设备中，进行烘干处理；

步骤四、化学清洗处理，将步骤三中干燥后的金刚石样品放入化学清洗液中进行浸泡；

步骤五、第二次干燥处理，将步骤四中清洗好的金刚石样品放入烘干设备中，进行烘干处理。

进一步地，所述步骤二中的清洗液为丙酮清洗液，且超声清洗的时间为40-60min。

进一步地，所述步骤四中化学清洗液为王水，且浸泡王水的温度为45-60℃，浸泡时间为1.5-3小时。

进一步地，所述步骤三中第一次干燥处理的烘干温度为60-70℃，所述步骤五中第二次干燥处理的烘干温度为110-130℃。

进一步地，所述S2步骤中陪料是氧化铝、氮化铝、氧化锆、氧化硅、氮化碳、碳化硅、钨、钼、钛、耐热钢中的一种或组合，且所述陪料为空心球形结构。

进一步地，所述S3步骤中样品托的形状有两种，其中一种为样品托上表面是碗行的弧面，通过微波增强等离子体化学气相沉积设备驱动轴的变速旋转，让金刚石籽晶以及陪料在样品托内滚动，另外一种为样品托上表面是平的，通过微波增强等离子体化学气相沉积设备驱动轴的驱动产生水平往复振动，金刚石籽晶与陪料在样品托上作往复振动。

进一步地，所述S3步骤中金刚石籽晶和陪料的分布方式为陪料包围金刚石籽晶，金刚石籽晶的外表面有一部分露出陪料。

进一步地，所述S5中混合工艺气体为高纯氢气与甲烷的混合工艺气体。

进一步地，所述S5步骤中的设定温度为800-1200℃。

通过本申请上述实施例，解决了晶体侧边与中心的生长环境差异，往往引起金刚石晶体上表面边角部位比中间部位生长速度快，能量局域集中导致温度不均匀，出现多晶或非晶碳化，位错越来越多并向生长面中央蔓延，导致单晶生长面越来越小，需要反复清洗切割后再生长或拼接生长，严重影响生产效率与产品质量问题，减少金刚石籽晶生长过程中不同部位之间的温差，便于金刚石的连续生长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请一种实施例的整体流程示意图；

图2为本申请一种实施例的对金刚石样品进行预处理的流程示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-2所示，一种金刚石生长方法，所述生长方法包括如下步骤：

S2、选取陪料，选取大小合适、无明显瑕疵的球形的陪料；

S3、金刚石籽晶转移，将金刚石籽晶和陪料放置在微波增强等离子体化学气相沉积设备沉积腔内的钼制样品托上；

S4、抽真空，利用进出气设备将微波增强等离子体化学气相沉积设备沉积腔内抽成真空状态，并利用微波增强等离子体化学气相沉积设备的转动轴带动钼制样品托运动；

S6、取出金刚石成品，S5步骤中金刚石籽晶生长到设定时间后，逐步降低工艺气体的流量以及微波源的功率及腔压，直至微波功率降到600W后关断工艺气体及微波电源，继续抽真空，当真空度达到仪表显示下限后，通过进出气设备通入空气破真空，当微波增强等离子体化学气相沉积设备沉积腔内的压力恢复到环境压力后，取出长大的金刚石成品。

所述S1步骤中对金刚石样品进行预处理的步骤为：

所述步骤二中的清洗液为丙酮清洗液，且超声清洗的时间为40-60min。

所述步骤四中化学清洗液为王水，且浸泡王水的温度为45-60℃，浸泡时间为1.5-3小时。

所述步骤三中第一次干燥处理的烘干温度为60-70℃，所述步骤五中第二次干燥处理的烘干温度为110-130℃。

所述S2步骤中陪料是氧化铝、氮化铝、氧化锆、氧化硅、氮化碳、碳化硅、钨、钼、钛、耐热钢中的一种或组合，且所述陪料为空心球形结构。

所述S3步骤中钼制样品托的形状有两种，其中一种为钼制样品托上表面是碗行的弧面，通过微波增强等离子体化学气相沉积设备驱动轴的变速旋转，让金刚石籽晶以及陪料在钼制样品托内滚动，另外一种为钼制样品托上表面是平的，通过微波增强等离子体化学气相沉积设备驱动轴的驱动产生水平往复振动，金刚石籽晶与陪料在样品托上作往复振动。

所述S3步骤中金刚石籽晶和陪料的分布方式为陪料包围金刚石籽晶，金刚石籽晶的外表面有一部分露出陪料。

所述S5中混合工艺气体为高纯氢气与甲烷的混合工艺气体。

所述S5步骤中的设定温度为800-1200℃。

本申请的有益之处在于：

1、陪料的导热率比金刚石低，陪料的存在能减少金刚石生长面与非生长面之间的温差，避免金刚石在生长过程中由于局部温差过大而产生应力或生长出多晶；

2、陪料与金刚石籽晶一起保持振动或转动，可以使得金刚石籽晶的不同表面都有机会接触包含碳源的等离子体，便于金刚石籽晶在三维方向连续生长。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种金刚石生长方法，其特征在于：所述生长方法包括如下步骤：

S2、选取陪料，选取大小合适、无明显瑕疵的球形的陪料；

2.根据权利要求1所述的一种金刚石生长方法，其特征在于：所述S1步骤中对金刚石样品进行预处理的步骤为：

3.根据权利要求2所述的一种金刚石生长方法，其特征在于：所述步骤二中的清洗液为丙酮清洗液，且超声清洗的时间为40-60min。

4.根据权利要求2所述的一种金刚石生长方法，其特征在于：所述步骤四中化学清洗液为王水，且浸泡王水的温度为45-60℃，浸泡时间为1.5-3小时。

5.根据权利要求2所述的一种金刚石生长方法，其特征在于：所述步骤三中第一次干燥处理的烘干温度为60-70℃，所述步骤五中第二次干燥处理的烘干温度为110-130℃。

6.根据权利要求1所述的一种金刚石生长方法，其特征在于：所述S2步骤中陪料是氧化铝、氮化铝、氧化锆、氧化硅、氮化碳、碳化硅、钨、钼、钛、耐热钢中的一种或组合，且所述陪料为空心球形结构。

7.根据权利要求1所述的一种金刚石生长方法，其特征在于：所述S3步骤中钼制样品托的形状有两种，其中一种为钼制样品托上表面是碗行的弧面，通过微波增强等离子体化学气相沉积设备驱动轴的变速旋转，让金刚石籽晶以及陪料在钼制样品托内滚动，另外一种为钼制样品托上表面是平的，通过微波增强等离子体化学气相沉积设备驱动轴的驱动产生水平往复振动，金刚石籽晶与陪料在样品托上作往复振动。

8.根据权利要求1所述的一种金刚石生长方法，其特征在于：所述S3步骤中金刚石籽晶和陪料的分布方式为陪料包围金刚石籽晶，金刚石籽晶的外表面有一部分露出陪料。

9.根据权利要求1所述的一种金刚石生长方法，其特征在于：所述S5中混合工艺气体为高纯氢气与甲烷的混合工艺气体。

10.根据权利要求1所述的一种金刚石生长方法，其特征在于：所述S5步骤中的设定温度为800-1200℃。