一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底原位连接方法
【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原位连接方法。
【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。所以在传统的单晶生长工艺中，通常采用真空钎焊炉将 金刚石籽晶及衬底连接在一起，以保证籽晶的固定。但由于真空钎焊炉的真空度较低，在高 温钎焊过程中，残余的空气极易使得金刚石籽晶表面发生石墨化，极大影响单晶层的生长 质量。且钎焊过程完全在炉内进行，无法进行实时观察，只有在钎焊结束取出样品后才能得 知焊接结果。
[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。
【发明内容】
[0007] 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，使用真空钎焊造成籽晶表面质量下降且不易观察的问题， 而提供一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底原位连接方法。
[0008] -种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底原位连接方法，具体是按照以下步骤进 行的：
[0009] -、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；
[0010] 二、选择金箔：选择厚度为20 μ m~IOOym的平整金箔，将平整金箔裁剪成比金刚 石籽晶长宽均大0. 5mm~I. 5mm的方片，得到焊接介质；
[0011] 所述的平整金箔纯度为18K~24K ;
[0012] 三、放置样品：
[0013] 将四根金属钼丝摆放成"井"字型，得到金属钼丝底座，将金属钼丝底座放置于微 波等离子体辅助化学气相沉积仪器托盘上，然后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金属钼丝底座上，使清洗后的金刚石籽晶表面水平并处于金 属钼丝底座中心；
[0014] 所述的金属钼丝长为5mm~20mm，直径为0. 3mm~2mm ;
[0015] 四、原位连接：
[0016] ①、关闭微波等离子体辅助化学气相沉积仪器舱门，对舱体进行抽真空，使舱体真 空度达到 3. OX ICT6Inbar ~5. OX ICT6Inbar ;
[0017] ②、开启程序，设定氢气流量为IOOsccm~200sccm，舱体气压为IOmbar~ 30mbar，启动微波发生器，激活等离子体；
[0018] ③、以速度为0. 5mbar/s~2mbar/s升高舱体气压，实时监测金刚石籽晶表面 温度，随着舱体气压的升高，金刚石籽晶表面温度升高，当将舱体气压升高至90mbar~ 120mbar时，此时微波等离子体辅助化学气相沉积仪器的功率为2800W~3700W，金刚石籽 晶表面温度达到ll〇〇°C~1300°C，继续以速度为0. 5mbar/s~2mbar/s升高舱体气压，当 金刚石籽晶表面温度出现骤降了 50°C~150°C，且金刚石籽晶亮度减弱，重新变回红色，原 位焊接完成；
[0019] ④、以速度为lmbar/s~3mbar/s降低气压，使气压降至5mbar~lOmbar，功率降 至1680W~1750W，温度降低至室温；
[0020] ⑤、对舱体抽真空，使舱体内真空度达到2. OX KT6Iiibar~8. OX KT6Iiibar ;
[0021] ⑥、放气，使舱体内气压到达Iatm后，开舱，得到焊接好的试样，即完成同质外延 生长单晶金刚石的籽晶衬底原位连接方法。
[0022] 本发明的有益效果是：1、本发明通过舱内原位连接的方法，使金刚石样品与金属 钼衬底之间形成牢固结合，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。
[0023] 2、原位连接技术省去了将样品放入真空钎焊炉进行连接的步骤，极大地简化操 作，节约了时间和成本。同时在MWCVD仪器舱体内的氢等离子体气氛下操作，有效避免了高 温下金刚石籽晶表面的石墨化的问题，使籽晶表面以最佳质量进行生长。
[0024] 3、在MWCVD仪器中的原位连接过程可以通过仪器的观察窗口进行实时监控，并可 根据不同情况进行工艺参数的适当调整，避免了在真空钎焊炉中进行操作时因无法观察工 艺过程而导致连接失败的问题。
[0025] 4、由于金箔极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，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。
[0026] 本发明用于一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底原位连接方法。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明焊接用金属钼丝及井字形摆放方式示意图；
[0028] 图2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及金属 钼丝底座的叠层次序图；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；4为金属钼丝底座；
[0029] 图3为本发明表面温度-舱内气压规格的关系图；
[0030] 图4为未进行原位连接的籽晶衬底生长单晶金刚石的生长形貌图；
[0031] 图5为实施例一原位连接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】
[0032] 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】 [0033] 一：结合图1和图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原位连接方法，具体是按照以下步骤进行的：
[0034] 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；
[0035] 二、选择金箔：选择厚度为20 μ m~IOOym的平整金箔，将平整金箔裁剪成比金刚 石籽晶长宽均大0. 5mm~I. 5mm的方片，得到焊接介质；
[0036] 所述的平整金箔纯度为18K~24K ;
[0037] 三、放置样品：
[0038] 将四根金属钼丝摆放成"井"字型，得到金属钼丝底座，将金属钼丝底座放置于微 波等离子体辅助化学气相沉积仪器托盘上，然后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金属钼丝底座上，使清洗后的金刚石籽晶表面