专利名称：单晶金刚石的层流等离子体的制备方法
技术领域：
本发明属于单晶金刚石制备技术领域，特别是提供了一种单晶金刚石的层流等离子体的制备方法；利用掠射直流等离子体的层流边界层环境，制备单晶金刚石。
背景技术：
化学气相沉积大尺寸单晶金刚石自2002年被报导以后(C. Yan等，Proc. Nat. Acad. Sci. 99 (2002) R25-27)，在世界范围内得到了广泛的关注和跟进研发，其中以微波等离子体增强化学气相沉积技术(Q. Liang，等，Diamond & Related Materials 18 (2009) 698-703)和直流等离子体增强化学气相沉积技术(G. C. Chen,等，Diamond &Related Materials 19 OOIO) 1078-1084)最有实际应用价值。当前，微波等离子体技术沉积的单晶金刚石可达到50 150微米/小时的沉积速度(Y. Mokuno,等，Diamond& Related Materials 15 (2006) 455-459)，以及最大尺寸可以超过1英寸直径的单晶金刚石盘(H. Yamada，等，Diamond & Related Materials 20(2011)616-619) 但是， 该技术操作复杂，不能实现单晶金刚石的连续生长(Y. Mokuno，等，Diamond &Related Materials 14(2005) 1743-1746)；此外，该技术的核心工装主要为美国、日本、英国所拥有 (拉塞尔· J ·赫姆雷，等，CN101198M4 ；嘉数诚，等，CN101053075 ；H · P ·戈弗里德，等， CN200380101681.0)，我国在此技术方面尚处于起步阶段(李红东，等，CN101311339)。直流等离子体沉积单晶金刚石技术是我国的原创技术(陈广超，等，CN200510086580. 1以及 CN200710064728. 0)，目前可以达到30微米/小时的沉积速度，并且实现了单晶金刚石的连续生长(G.C.Chen，等，Diamond & Related Materialsl9 Q010) 1078-1084)。应该指出的是30微米/小时的沉积速度为不掺杂氮的本征单晶金刚石的沉积速度，这与微波等离子体技术沉积本征单晶金刚石的速度(50微米/小时)相近。当前的化学气相沉积单晶金刚石技术，无论是微波等离子体技术还是直流等离子体技术，都存在沉积物易多晶化的问题。就直流等离子体技术而言，多晶化的原因在于直流等离子体易出现紊流流动。由于紊流的出现，增加了沉积过程中的不稳定性，加大了沉积物多晶化的倾向。除了多晶化问题之外，直流等离子体技术还存在另一个问题，即目前的直流等离子体沉积单晶金刚石的方法不能利用大尺寸衬底进行单晶制备。这是由于目前的直流等离子体技术中，等离子体相对于衬底是以冲击射流方式进行流动，在工作区形成了多个不同性质的流场区域，即自由射流区、滞止区和沿壁射流区，各区域之间及各区域内部都存在温度梯度和速度梯度过大的问题，因此造成均勻流场区域小，导致不利于大尺寸衬底使用的沉积环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单晶金刚石的层流等离子体的制备方法，通过调控等离子体的流体特性，构建出稳定的层流等离子体边界层，使单晶金刚石能够在大尺寸衬底上进行稳定生长的方法。从而避免当前直流等离子体沉积单晶金刚石的多晶化和小尺寸衬底的问题。单晶金刚石是在等离子体掠射层流沉积系统中进行的。其中直流等离子体的成分中含有激发态碳原子、碳氢分子和氢原子，等离子体的电子温度0. 3 0. 5eV0等离子体的喷口几何形状为圆形或矩形，其中矩形喷口面积为10 15厘米2，圆形喷口面积7 18厘米2。等离子体的运动轴线平行于水平方向，雷诺数20 800，等离子体以运动轴线与籽晶法线成80° 100°的角度掠射籽晶表面。籽晶为单晶金刚石，其曝露晶面可以是(100) 晶面或者(111)晶面，以机械镶嵌或者真空钎焊的方式固定在具有水冷功能的难熔金属籽晶托架上，籽晶的尺寸在等离子体运动轴线方向为0. 1 6厘米，籽晶距等离子体喷口的距离为0.5 1.5厘米，籽晶温度在650°C 1300°C之间。反应腔压强在6000 180001 之间。本发明的优点和积极效果本方法提供了一条适合采用大尺寸籽晶、稳定制备单晶金刚石的途径，使单晶金刚石稳定生长区尺寸在等离子体运动轴线方向达到7厘米，并有效抑制了单晶生长表面的多晶化。
图1是层流等离子体掠射沉积系统的示意图。其中，等离子体喷口 1、水冷籽晶托架2、出水管3、籽晶4、进水管5、等离子体6、反应腔7、真空泵8。图2是等离子体的成份随掠射距离的变化情况，图中h值表示距离籽晶表面的高度。图3是所得单晶表面的电子显微结果，表1中S⑶-1单晶体的生长表面。图4是所得单晶表面的电子显微结果，表1中S⑶-2单晶体的生长表面。图5是所得单晶表面的电子显微结果，表1中S⑶-3单晶体的生长表面。图6是所得单晶表面的拉曼谱结果，表1中SCD-I单晶体的生长表面的拉曼谱结果。图7是所得单晶表面的拉曼谱结果，表1中SCD-2单晶体的生长表面的拉曼谱结果。图8是所得单晶表面的拉曼谱结果，表1中SCD-3单晶体的生长表面的拉曼谱结果。
具体实施例方式在图1所示的层流等离子体掠射沉积系统中，利用光发射谱测试了等离子体的成份随掠射距离的变化情况，得到了图2的结果。图2的结果表明单晶的稳定生长区在等离子体运动轴线距离达到7厘米。以(100)和(111)晶面为曝露晶面的单晶金刚石为衬底，进行单晶金刚石沉积，工艺参数见表1，各个所得单晶表面的电子显微结果和表面拉曼(Raman) 谱结果分别见图3 8。表1单晶金刚石的沉积参数。表1单晶金刚石的沉积参数。
权利要求
1. 一种单晶金刚石的层流等离子体的制备方法，单晶金刚石是在等离子体掠射层流沉积系统中进行的；其特征在于，其中直流等离子体的成分中含有激发态碳原子、碳氢分子和氢原子，等离子体的电子温度0. 3 0. 5eV ；等离子体的喷口几何形状为圆形或矩形，其中矩形喷口面积为10 15厘米2，圆形喷口面积7 18厘米2 ；等离子体的运动轴线平行于水平方向，雷诺数20 800，等离子体以运动轴线与籽晶法线成80° 100°的角度掠射籽晶表面；籽晶为单晶金刚石，其曝露晶面是(100)晶面或者(111)晶面，以机械镶嵌或者真空钎焊的方式固定在具有水冷功能的难熔金属籽晶托架上，籽晶的尺寸在等离子体运动轴线方向为0. 1 6厘米，籽晶距等离子体喷口的距离为0. 5 1. 5厘米，籽晶温度在650°C 1300°C之间；反应腔压强在6000 180001 之间。
全文摘要
一种单晶金刚石的层流等离子体的制备方法，属于单晶金刚石制备技术领域。通过调控等离子体的流体特性，构建出稳定的层流等离子体边界层，使单晶金刚石能够在大尺寸衬底上进行稳定生长。从而避免当前直流等离子体沉积单晶金刚石的多晶化和小尺寸衬底的问题。优点在于提供了一条适合采用大尺寸籽晶、稳定制备单晶金刚石的途径，使单晶金刚石稳定生长区尺寸在等离子体运动轴线方向达到7厘米，并有效抑制了单晶生长表面的多晶化。
文档编号C30B29/04GK102230216SQ20111016453
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月19日 优先权日2011年6月19日
发明者陈广超 申请人:中国科学院研究生院