一种扩大单晶金刚石籽晶尺寸及数量的方法与流程

本发明涉及化学气相沉积技术领域，具体是一种扩大单晶金刚石籽晶尺寸及数量的方法。

背景技术：

单晶金刚石拥有优异的物理化学性质，被广泛应用于工业、科技、国防、医疗卫生等众多领域。但是天然金刚石储量少、价格昂贵。化学气相沉积法(cvd)是目前合成大尺寸的单晶金刚石的主要方法。常规情况下，cvd法合成金刚石单晶的尺寸依赖于籽晶的大小，一般合成的单晶尺寸等于或小于籽晶。因此大尺寸金刚石单晶及籽晶的制备技术，一直是本领域亟待解决的技术难题。目前，采用cvd法制备大尺寸单晶金刚石主要采用两种方式，一种是侧向生长法，即通过依次延(100)取向和(010)方向对金刚石进行同质外延生长来扩大金刚石单晶的尺寸，但是该法对金刚石尺寸的扩大比较有限；另一种是拼接法，通过把多个单晶晶种拼接生长成“马赛克”大单晶，但是该法的技术难度也较高，容易在拼接界面处引入缺陷和多晶相。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决大尺寸金刚石单晶制备技术难度高的问题，而提供一种扩大单晶金刚石籽晶尺寸及数量的方法。该方法通过三次cvd沉积即可获得取向为(100)、尺寸扩大多倍的单晶金刚石籽晶。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种扩大单晶金刚石籽晶尺寸及数量的方法，包括如下步骤：

1)一次沉积：采用cvd法将取向为(100)、尺寸为a×a×b的单晶金刚石籽晶沿b方向生长，生长完成后进行抛光处理，使抛光后的高度达到a，再沿单晶金刚石侧面的对角线将单晶金刚石切割成两半，形成两个切割面取向为(110)、尺寸为的等腰三角柱体单晶金刚石；

2)二次沉积：将得到的等腰三角柱体单晶金刚石作为籽晶，切割面进行抛光，放入含有v型凹槽的钼托中，抛光面朝上进行金刚石的同质外延生长，使抛光后的单晶金刚石生长高度达到取出生长完成的单晶金刚石，沿生长后单晶金刚石上方的正方体底部以及其侧面对角线，将单晶金刚石切割成三个等腰三角柱体单晶金刚石，包括一个原始的尺寸为的小等腰三角柱体单晶金刚石和两个切割面为(100)取向、尺寸为2a×a的大等腰三角柱体单晶金刚石；

3)三次沉积：将得到的大等腰三角柱体单晶金刚石的切割面抛光后，放入含有v型凹槽的钼托中，将抛光面朝上进行金刚石的同质外延生长，使抛光后的单晶金刚石生长高度达到h，其中h>a，取出生长完成的单晶金刚石，将原始的大等腰三角柱体单晶金刚石切除后，获得取向为(100)、尺寸为2a×h×a的长方体单晶金刚石，沿平行于2a×h面的方向将长方体单晶金刚石切割并抛光，即获得多片取向为(100)、尺寸为2a×h的单晶金刚石籽晶。

进一步的，在三次沉积过程中，当h＝2a时，生长切割后可获得多片取向为(100)、生长面为正方形、尺寸为2a×2a的单晶金刚石籽晶。

进一步的，在一次沉积过程中，所用的单晶金刚石籽晶为天然金刚石、cvd法合成的金刚石或高温高压合成的金刚石。

进一步的，在二次沉积过程中，切割后得到的原始的尺寸为的小等腰三角柱体单晶金刚石可再次用于二次沉积。

进一步地，三次沉积后切割掉的大等腰三角柱体单晶金刚石可再次用于三次沉积。

进一步地，三次沉积后获得的取向为(100)、尺寸为2a×h大尺寸单晶金刚石籽晶，可用于大尺寸单晶金刚石的同质外延生长。

本发明是针对大尺寸单晶金刚石制备的技术难题，而提供的一种较为简单的扩大单晶金刚石籽晶尺寸及数量的方法，该法采用取向为(100)的单晶金刚石作为籽晶，通过一次沉积将单晶金刚石先生长为方形，然后沿对角线将单晶金刚石切割为两个切割面为(110)取向、尺寸为的等腰三角柱体，将切割面抛光后作为生长面进行二次沉积，使金刚石沿垂直切割面方向生长高度达到再次将金刚石沿新生长的方形的对角线和底部切割，形成2个切割面为(100)取向、尺寸为2a×a的大等腰三角柱体和一个原始小等腰三角柱体，将获得的大等腰三角柱体的切割面抛光后作为生长面进行三次沉积，生长高度为h，其中h>a，再沿平行于切割面2a边及垂直方向进行切割，即可获得多片取向为(100)、尺寸为2a×h的金刚石籽晶。当h为2a时，单晶金刚石籽晶的尺寸将扩大四倍。

本发明方法的有益效果如下：

1)本发明方法通过三次cvd沉积即可获得尺寸扩大至少两倍的单晶金刚石籽晶，通过控制三次沉积过程中的生长高度，可获得多片尺寸扩大四倍、且取向为(100)的单晶金刚石籽晶。

2)本发明方法操作简单，能够快速的将小尺寸的单晶金刚石籽晶变成大尺寸的单晶籽晶，同时增大单晶金刚石的尺寸及数量，还可以有效避免拼接法引入的界面缺陷和多晶。

3)本发明方法在二次沉积和三次沉积中采用三角柱体的金刚石作为籽晶，结合专门设计的含有v型凹槽的钼托，可使单晶金刚石更加稳定地放置于钼托中，避免在设备升降过程中，因为震动导致金刚石单晶在钼托中发生位移，影响其在钼托及等离子体中的位置，导致单晶生长质量降低及引入多晶等问题。

4)本发明方法采用含有v型凹槽的钼托，使得三角柱体籽晶与钼托之间有两个接触面，增加了金刚石单晶的散热面积，有利于增加cvd设备使用功率，增加单晶金刚石的生长速度。

5)本发明方法在制备过程中被切掉的三角柱体单晶金刚石可多次重复用于金刚石的同质外延生长，有利于节约成本，适合产业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明通过三次沉积扩大单晶金刚石尺寸的流程图。

图中：1-籽晶、2-钼托。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种扩大单晶金刚石籽晶尺寸及数量的方法，包括如下步骤：

1)一次沉积：将取向为(100)、尺寸为a×a×b的单晶金刚石作为籽晶1，放入含有方形凹槽的钼托2中，然后采用cvd法将单晶金刚石沿b方向生长，生长完成后进行抛光处理，使抛光后的高度达到a，再沿单晶金刚石侧面的对角线将单晶金刚石切割成两半，形成两个切割面取向为(110)、尺寸为的等腰三角柱体单晶金刚石，具体如图1中的一次沉积步骤所示。

2)二次沉积：将得到的等腰三角柱体单晶金刚石作为籽晶1，切割面进行抛光，放入含有v型凹槽的钼托2中，将抛光面朝上进行金刚石的同质外延生长，使抛光后的单晶金刚石生长高度达到取出生长完成的单晶金刚石，沿生长后单晶金刚石上方的正方体底部以及其侧面对角线，将单晶金刚石切割成三个等腰三角柱体单晶金刚石，包括一个原始的尺寸为的小等腰三角柱体单晶金刚石和两个切割面为(100)取向、尺寸为2a×a的大等腰三角柱体单晶金刚石，具体如图1中的二次沉积步骤所示。

3)三次沉积：将得到的大等腰三角柱体单晶金刚石作为籽晶1，切割面进行抛光，抛光后的大等腰三角柱体单晶金刚石放入含有v型凹槽的钼托2中，将抛光面朝上进行金刚石的同质外延生长，使抛光后的单晶金刚石生长高度达到h，其中h>a，取出生长完成的单晶金刚石，将原始的大等腰三角柱体单晶金刚石切除后，获得取向为(100)、尺寸为2a×h×a的长方体单晶金刚石，沿平行于2a×h面的方向将长方体单晶金刚石切割并抛光，即获得多片取向为(100)、尺寸为2a×h的单晶金刚石籽晶1，具体如图1中的三次沉积步骤所示。

具体实施时：

在三次沉积过程中，当h＝2a时，生长切割后可获得多片取向为(100)、生长面为正方形、尺寸为2a×2a的单晶金刚石籽晶1。

在一次沉积过程中，所用的单晶金刚石籽晶为天然金刚石、cvd法合成的金刚石或高温高压合成的金刚石。

在二次沉积过程中，切割后得到的原始的尺寸为的小等腰三角柱体单晶金刚石可再次用于二次沉积。

在三次沉积后切割掉的大等腰三角柱体单晶金刚石可再次用于三次沉积。

三次沉积后获得的取向为(100)、尺寸为2a×h大尺寸单晶金刚石籽晶1，可用于大尺寸单晶金刚石的同质外延生长。

以下结合几个具体的实施例，对本发明方法作进一步的描述：

实施例1

一种扩大单晶金刚石籽晶尺寸及数量的方法，包括如下步骤：

1)一次沉积：将取向为(100)、尺寸长×宽×高为5mm×5mm×1mm的单晶金刚石籽晶及专门与之配合的钼托2清洗干净，放入微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)装置的真空腔室中，待真空腔室真空度降至1×10^-4pa以下后，通入h2，待气压达到0.6kpa时，开启微波源激发等离子体，输入功率为0.8kw；随着气压的升高，缓慢增加输入功率并通入ch4，直至达到稳定沉积所需工艺：微波功率为5kw，h2和ch4的流量分别为400sccm和20sccm，温度为850℃，待单晶金刚石籽晶沿高度方向生长到5.3mm时，降低气压和功率，待气压和功率分别达到0.8kpa和0.8kw时，关闭微波源，取出单晶金刚石；抛光去除生长面边缘出现的多晶，使抛光后的高度能达到5mm，再采用激光切割法，沿单晶金刚石侧面的对角线将单晶金刚石切割成两半，形成两个切割面取向为(110)、尺寸为7.07mm×5mm的等腰三角柱体单晶金刚石；

2)二次沉积：将尺寸为7.07mm×5mm的这两个等腰三角柱体单晶金刚石作为籽晶1，切割面进行抛光，抛光面朝上放入专门设计的含有v型凹槽的钼托2中，再整体放入mpcvd装置的真空腔室中进行金刚石的同质外延生长；待真空腔室真空度降至1×10^-4pa以下后，通入h2，待气压达到0.6kpa时，开启微波源激发等离子体，输入功率为0.8kw；随着气压的升高，缓慢增加输入功率并通入ch4，直至达到稳定沉积所需工艺：微波功率为5kw，h2和ch4的流量分别为400sccm和20sccm，温度为950℃，待单晶金刚石籽晶1沿高度方向生长到7.4mm时，降低气压和功率，待气压和功率分别达到0.8kpa和0.8kw时，关闭微波源，取出单晶金刚石；抛光去除生长面边缘出现的多晶，使抛光后的高度能达到7.07mm，沿生长后单晶金刚石上方的正方体底部以及侧面对角线将单晶金刚石切成三个等腰三角柱体单晶金刚石，包括一个原始的尺寸为7.07mm×5mm的小等腰三角柱体单晶金刚石和两个切割面为(100)取向、尺寸为10mm×5mm的大等腰三角柱体单晶金刚石；

3)三次沉积：将取向(100)、尺寸为10mm×5mm的大等腰三角柱体单晶金刚石的切割面抛光后，清洗干净，抛光面朝上放入专门设计的含有v型凹槽的钼托2中，再整体放入mpcvd装置的真空腔室中进行金刚石的同质外延生长；待真空腔室真空度降至1×10^-4pa以下后，通入h2，待气压达到0.6kpa时，开启微波源激发等离子体，输入功率为1kw；随着气压的升高，缓慢增加输入功率并通入ch4，直至达到稳定沉积所需工艺：微波功率为5kw，h2和ch4的流量分别为400sccm和20sccm，温度为850℃，待单晶金刚石籽晶1沿高度方向生长到10.3mm时，降低气压和功率，待气压和功率分别达到0.8kpa和0.8kw时，关闭微波源，取出单晶金刚石；抛光去除生长面边缘出现的多晶，使抛光后的高度能达到10mm，将原始的尺寸为10mm×5mm的大等腰三角柱体单晶金刚石激光切除后，可将获得取向为(100)、尺寸为10mm×10mm×5mm的长方体单晶金刚石，沿平行于10mm×10mm面的方向将长方体单晶金刚石激光切割并抛光，可获得多片取向为(100)、尺寸为10mm×10mm的单晶金刚石籽晶1。

实施例2

一种扩大单晶金刚石籽晶尺寸及数量的方法，包括如下步骤：

1)一次沉积：将取向为(100)、尺寸为8mm×8mm×2mm的单晶金刚石籽晶及专门与之配合的钼托2清洗干净，放入mpcvd装置的真空腔室中，待真空腔室真空度降至5×10^-4pa以下后，通入h2，待气压达到1kpa时，开启微波源激发等离子体，输入功率为1.5kw；随着气压的升高，缓慢增加输入功率并通入ch4和n2，直至达到稳定沉积所需工艺：微波功率为8kw，h2、ch4和n2的流量分别为300sccm、20sccm和0.5sccm，温度为1000℃，待单晶金刚石籽晶沿高度方向生长到8.2-8.4mm时，降低气压和功率，待气压和功率分别达到0.8kpa和0.8kw时，关闭微波源，取出单晶金刚石；抛光去除生长面边缘出现的多晶，使抛光后的高度能达到8mm，再采用激光切割法，沿单晶金刚石侧面的对角线将单晶金刚石切割成两半，形成两个切割面取向为(110)、尺寸为11.31mm×8mm的等腰三角柱体单晶金刚石；

2)二次沉积：将尺寸为11.31mm×8mm的这两个等腰三角柱体作为籽晶1，切割面进行抛光，抛光面朝上放入专门设计的含有v型凹槽的钼托2中，再放入mpcvd装置的真空腔室中进行金刚石的同质外延生长；待真空腔室真空度降至5×10^-4pa以下后，通入h2，待气压达到1kpa时，开启微波源激发等离子体，输入功率为1.5kw；随着气压的升高，缓慢增加输入功率并通入ch4和n2，直至达到稳定沉积所需工艺：微波功率为8kw，h2、ch4和n2的流量分别为300sccm、20sccm和0.5sccm，温度为1050℃，待单晶金刚石籽晶1沿高度方向生长到11.5-11.7mm时，降低气压和功率，待气压和功率分别达到0.8kpa和0.8kw时，关闭微波源，取出单晶金刚石；抛光去除生长面边缘出现的多晶，使抛光后的高度能达到11.31mm，沿生长后单晶金刚石上方的正方体底部以及侧面对角线将金刚石切成三个等腰三角柱体单晶金刚石，包括一个原始的尺寸为11.31mm×8mm的小等腰三角柱体单晶金刚石和两个切割面为(100)取向、尺寸为16mm×8mm的大等腰三角柱体单晶金刚石；

3)三次沉积：将取向(100)、尺寸为16mm×8mm的大等腰三角柱体单晶金刚石的切割面抛光后，清洗干净，抛光面朝上放入专门设计的含有v型凹槽的钼托2中，再放入mpcvd装置的真空腔室中进行金刚石的同质外延生长；待真空腔室真空度降至5×10^-4pa以下后，通入h2，待气压达到1kpa时，开启微波源激发等离子体，输入功率为1.5kw；随着气压的升高，缓慢增加输入功率并通入ch4和n2，直至达到稳定沉积所需工艺：微波功率为8kw，h2、ch4和n2的流量分别为300sccm、20sccm和0.5sccm，温度为900℃，待单晶金刚石籽晶1沿高度方向生长到16.2-16.4mm时，降低气压和功率，待气压和功率分别达到0.8kpa和0.8kw时，关闭微波源，取出单晶金刚石；抛光去除生长面边缘出现的多晶，使抛光后的高度能达到16mm，将原始的尺寸为16mm×8mm的大等腰三角柱体单晶金刚石激光切除后，可将获得取向为(100)、尺寸为16mm×16mm×8mm的长方体单晶金刚石，沿平行于16mm×16mm面的方向将长方体单晶金刚石激光切割并抛光，可获得多片取向为(100)、尺寸为16mm×16mm的单晶金刚石籽晶1。

实施例3

一种扩大单晶金刚石籽晶尺寸及数量的方法，包括如下步骤：

1)一次沉积：将取向为(100)、尺寸为10mm×10mm×1mm的单晶金刚石籽晶及专门与之配合的钼托2清洗干净，放入mpcvd装置的真空腔室中，待真空腔室真空度降至1×10^-5pa以下后，通入h2，待气压达到0.8kpa时，开启微波源激发等离子体，输入功率为1.2kw；随着气压的升高，缓慢增加输入功率并通入ch4、n2和o2，直至达到稳定沉积所需工艺：微波功率为10kw，h2、ch4、n2和o2的流量分别为200sccm、20sccm、0.4sccm和2sccm，温度为950℃，待单晶金刚石籽晶沿高度方向生长到10.2-10.4mm时，降低气压和功率，待气压和功率分别达到0.8kpa和0.8kw时，关闭微波源，取出单晶金刚石；抛光去除生长面边缘出现的多晶，使抛光后的高度能达到10mm，再采用激光切割法，沿单晶金刚石侧面的对角线将单晶金刚石切割成两半，形成两个切割面取向为(110)、尺寸为14.14mm×10mm的等腰三角柱体单晶金刚石；

2)二次沉积：将尺寸为14.14mm×10mm的这两个等腰三角柱体单晶金刚石作为籽晶1，切割面进行抛光，抛光面朝上放入专门设计的含有v型凹槽的钼托2中，再放入mpcvd装置的真空腔室中进行金刚石的同质外延生长；待真空腔室真空度降至1×10^-5pa以下后，通入h2，待气压达到0.8kpa时，开启微波源激发等离子体，输入功率为1.2kw；随着气压的升高，缓慢增加输入功率并通入ch4、n2和o2，直至达到稳定沉积所需工艺：微波功率为10kw，h2、ch4、n2和o2的流量分别为200sccm、20sccm、0.4sccm和2sccm，温度为1100℃，待单晶金刚石籽晶1沿高度方向生长到14.3-14.5mm时，降低气压和功率，待气压和功率分别达到0.8kpa和0.8kw时，关闭微波源，取出单晶金刚石；抛光去除生长面边缘出现的多晶，使抛光后的高度能达到14.14mm，沿生长后单晶金刚石上方的正方体底部以及侧面对角线将单晶金刚石切成三个等腰三角柱体，包括一个原始的尺寸为14.14mm×10mm小等腰三角柱体单晶金刚石和两个切割面为(100)取向、尺寸为20mm×10mm的大等腰三角柱体单晶金刚石；

3)三次沉积：将取向(100)、尺寸为20mm×10mm的大等腰三角柱体单晶金刚石的切割面抛光后，清洗干净，抛光面朝上放入专门设计的含有v型凹槽的钼托2中，再放入mpcvd装置的真空腔室中进行金刚石的同质外延生长；待真空腔室真空度降至1×10^-5pa以下后，通入h2，待气压达到0.8kpa时，开启微波源激发等离子体，输入功率为1.2kw；随着气压的升高，缓慢增加输入功率并通入ch4、n2和o2，直至达到稳定沉积所需工艺：微波功率为10kw，h2、ch4、n2和o2的流量分别为200sccm、20sccm、0.4sccm和2sccm，温度为950℃，待单晶金刚石籽晶1沿高度方向生长到15.2-15.4mm时，降低气压和功率，待气压和功率分别达到0.8kpa和0.8kw时，关闭微波源，取出单晶金刚石；抛光去除生长面边缘出现的多晶，使抛光后的高度能达到15mm，将原始的尺寸为20mm×10mm的大等腰三角柱体单晶金刚石激光切除后，可将获得取向为(100)、尺寸为20mm×15mm×10mm的长方体单晶金刚石，沿平行于20mm×15mm面的方向将长方体单晶金刚石激光切割并抛光，可获得多片取向为(100)、尺寸为20mm×15mm的金刚石籽晶1。

上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。