一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底真空钎焊方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底真空钎焊方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，大尺寸单晶金刚石及准单晶金刚石由于其极高的硬度、最高的热导率、极 宽的电磁透过频段、优异的抗辐照能力和耐腐蚀性能，在精密加工、高频通讯、航天宇航、尖 端技术等高科技领域日渐成为基础、关键甚至唯一的材料解决方案。传统的人造单晶金刚 石是采用高温高压（HPHT)法，该方法制备出的金刚石含杂质较多，缺陷密度较高，质量相 对较差，且尺寸较小，与相关应用的需求相比相差甚远，导致HPHT金刚石适用范围较窄，在 行业中处于下游，利润低，竞争力不强。
[0003] 相比于HPHT法，微波等离子体辅助化学气相沉积（MWCVD)法是目前公认的制备大 尺寸单晶金刚石的最佳方法之一，该方法制备的单晶金刚石具有杂质浓度低、透过波段宽、 缺陷密度低、尺寸较大和生长速率可控等优点，被认为是最有希望成为未来大批量生产人 造金刚石的方法。
[0004] 该方法外延生长单晶金刚石时，金刚石籽晶与椭球状的等离子体直接接触，因此 控制籽晶表面的温度以及等离子体的浓度是非常关键的因素：温度过高会导致金刚石表面 发生石墨化，温度过低会导致籽晶生长质量的大幅下降；同时，等离子体的浓度及均匀性也 对籽晶的生长质量和速度有着很大影响。因此籽晶需要放置在合适的位置，并处于合适的 温度场及均匀的等离子体浓度下，才能保证籽晶的高质量快速生长。
[0005] 在反应过程中，金刚石籽晶通常放置于金属钼衬底之上，金属钼衬底放置于MWCVD 仪器的底座上。由于金刚石籽晶本身的质量很小，只有几十毫克，在仪器抽真空及通入反应 气体时，籽晶极易被气流吹动，导致籽晶位置偏离最佳位置，造成温度及等离子体浓度的大 幅变化，严重影响籽晶的生长质量。
[0006] 此外，由于籽晶和金属钼的表面无法保证绝度平整，使得二者之间的接触导热面 很小，并有气体层存在，导致籽晶与金属钼之间形成很大热阻，使得籽晶表面因热量集中而 温度过高，生长质量受到极大影响。所以，为控制金刚石籽晶在生长时处于稳定且最优的工 艺参数下，实现大尺寸优质单晶金刚石的快速生长，必须找到能够固定金刚石籽晶，并增强 籽晶与衬底之间导热的方法。
[0007] 传统的焊接介质因熔点过低，且与金刚石的相容性很差，无法作为适合焊接金刚 石的焊接介质；有些焊料会与金刚石表面发生较为严重的化学反应，严重影金刚石籽晶的 质量。所以必须寻找到一种熔点符合金刚石生长工艺，且与金刚石之间具有优良相容性，同 时与金刚石界面结合适中的多组元合金材料作为焊接介质。
【发明内容】
[0008] 本发明要解决现有的MWCVD生长系统中籽晶易被气流吹动偏离最佳位置，以及籽 晶与金属钼衬底之间导热困难，传统焊接介质熔点过低、与金刚石相容性差或反应严重损 伤籽晶，无法满足金刚石优质生长的问题，而提供一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬 底真空钎焊方法。
[0009] -种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底真空钎焊方法，具体是按照以下步骤进 行的：
[0010] 一、清洗：将金刚石籽晶和金属钼衬底圆片进行清洗，得到清洗后的金刚石籽晶和 清洗后的金属钼衬底圆片；
[0011] 二、选择焊接介质：将合金用冲压机冲压形成厚度为20 μπι~100 μπι的平整合金 薄片，将平整合金薄片裁剪成比清洗后的金刚石籽晶长宽均大0. 5_~I. 5_的方片，得到 焊接介质；
[0012] 所述的合金中Fe元素质量百分数为3%~5%，Ti元素质量百分数为10%~ 20%，Cr元素质量百分数为10%~25%，余量为Ni元素；
[0013] 三、放置样品：
[0014] 将清洗后的金属钼衬底圆片、焊接介质及清洗后的金刚石籽晶依次置于真空钎焊 炉底座夹具上；
[0015] 四、真空钎焊：
[0016] ①、关闭真空钎焊炉，对炉体进行抽真空，使真空钎焊炉内真空度达到 5. OX KT4Pa ~LOXKT3Pa ;
[0017] ②、向真空钎焊炉内通入Ar气作为保护气体，控制Ar气气体流速为30sccm~ lOOsccm，直至真空钎焊炉内气压达为0. 6atm~0. 9atm ;
[0018] ③、对清洗后的金刚石籽晶沿竖直方向施加 IMPa~5MPa的压强，然后以3°C / min~8 °C /min的升温速度升高真空钎焊炉内温度，至真空钎焊炉温度达到1050 °C~ 1150 °C，然后在温度为1050 °C~1150 °C及压强为IMPa~5MPa的条件下，保温IOmin~ 20min ；
[0019] ④、以3°C /min~8°C /min的降温速度降低真空钎焊炉内温度，至真空钎焊炉内 温度降低至室温；
[0020] ⑤、放气，使真空钎焊炉内气压到达Iatm后，开炉，得到真空钎焊制备的籽晶衬 底，即完成同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底真空钎焊方法。
[0021] 本发明的有益效果是：1、本发明通过真空钎焊的方法，使金刚石样品与金属钼衬 底之间形成牢固结合，经测试结合剪切强度达到lOMPa，防止了在抽真空和通入气体时因气 流过大而将籽晶吹动偏离最佳位置的问题，确保了金刚石籽晶在生长过程中始终稳定处于 最佳的温度场和等离子体浓度下，保证了生长工艺的稳定。
[0022] 2、真空钎焊技术是在高真空度环境下进行的，防止了在高温焊接过程中金刚石表 面与空气接触会发生石墨化的现象，从而保证了金刚石籽晶表面的质量。
[0023] 3、采用特殊配比的合金作为焊接介质，提高了与金刚石籽晶之间的相容性，又不 会形成严重的反应界面层。在确保籽晶与衬底牢固连接的情况下，保证了籽晶的质量，这是 由于C元素会趋向于向Fe中渗透，所以Fe的加入可以改善合金与金刚石之间的相容性。但 过量的Fe会与金刚石之间发生较为严重的扩散界面，同时C元素在Fe中又会以非晶碳形 式析出，所以Fe的含量必须控制在较低水平。同时，Ti和Cr元素的掺入，可以与金刚石之 间形成轻微的碳化物反应界面，在一定程度上阻碍了 C元素向Fe中的扩散，使得界面层控 制在合理水平，且由于焊接介质的熔点必须高于l〇〇〇°C，才能满足金刚石生长的工艺条件 所以需要以金属Ni作为合金基体，才能获得如此高熔点的合金，而其他常用的合金焊料， 熔点都达不到这个水平，一般而言，Ni基合金主要以Ni-Cr合金为主，其中Cr元素也有与 金刚石之间形成碳化物界面层的作用，但Cr元素与C元素之间的反应较为缓慢，所以需要 Ti元素的加入，使得二者之间能较快的形成碳化物界面层，以阻挡C元素与Fe元素之间过 量的相互渗透。
[0024] 4、由于焊接介质具有良好的延展性和导热性，保证了金刚石样片与金属钼衬底之 间形成良好的接触导热，热导率由30W/m*K提高到100W/m*K，防止了金刚石样品表面的热 量集中，极大的降低了表面温度过高而发生石墨化的可能，同时也使得金刚石样品处于最 佳的生长工艺参数下，生长效果更好。
[0025] 本发明用于一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底真空钎焊方法。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明清洗后的金刚石籽晶、焊接介质、清洗后的金属钼衬底圆片的叠层 次序图；1为清洗后的金刚石籽晶；2为焊接介质；3为清洗后的金属钼衬底圆片；
[0027] 图2为本发明中样品放置于真空钎焊炉中的剖视图；1为清洗后的金刚石籽晶；2 为焊接介质；3为清洗后的金属钼衬底圆片；4为真空钎焊炉炉体；5为载荷施加机构；6为 真空钎焊炉底座夹具；7为真空钎焊炉底座；
[0028] 图3为未进行真空钎焊的籽晶衬底生长单晶金刚石的生长形貌图；
[0029] 图4为实施例一真空钎焊制备的籽晶衬底同质外延生长单晶金刚石的生长形貌 图。
【具体实施方式】
[0030] 本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之 间的任意组合。
【具体实施方式】 [0031] 一：结合图1-2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种同质 外延生长单晶金刚石的籽晶衬底真空钎焊方法，具体是按照以下步骤进行的：
[0032] 一、清洗：将金刚石籽晶和金属钼衬底圆片进行清洗，得到清洗后的金刚石籽晶和 清洗后的金属钼衬底圆片；
[0033] 二