[发明专利]用于金刚石单晶同质外延的籽晶托盘、基台组件及其应用

说明书

技术领域

本发明属于金刚石合成技术领域，尤其涉及一种用于金刚石单晶同质外延 的籽晶托盘、基台组件及其应用。

背景技术

金刚石集众多优异性质于一体，具有极高的硬度、热导率，宽的透射光谱 带、宽带隙及高电子空穴迁移率等优点，可以广泛应用于刀具、涂层、光学窗 口及声学传感器、半导体和电子器件等领域。目前，金刚石的需求量大，而天 然金刚石储量很少，因此，合成大尺寸、高质量的金刚石单晶就显得尤为迫切。 微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法具有无电极污染、设备稳定、等离子 体密度集中而不扩散、样品质量可有效重复等多种优点，非常适合用来生长高 质量、高纯度的单晶金刚石，是目前合成金刚石最有前景的方法之一。在 MPCVD法中，籽晶托盘的设计决定生长温度、等离子体分布及碳源分布是否 均匀，在金刚石生长过程中起着关键性作用。

传统使用的籽晶托盘是由金属钼制成，其性质稳定，无污染，且导热快。 籽晶托盘中心有凹坑小槽可放置金刚石籽晶，置于谐振腔体内的水冷台上，通 过输入微波功率和压强来获得生长温度，具有升温快，可操作性强等优点。然 而，传统使用的籽晶托盘存在生长温度难以得到有效控制的问题。

中国专利CN204281889公开了一种用于生长金刚石单晶的新型籽晶托盘， 其托盘中心端设有凹坑，凹坑出口端与托盘端面所在水平面是由斜面过渡连接。 该设计可以在生长过程中降低电磁场的不连续性，抑制边缘生长过快，提高金 刚石质量。但是，使用该籽晶托盘生长金刚石时，在生长过程中，籽晶与凹槽 间、基片托盘与水冷台间容易沉积石墨。沉积的石墨会改变金刚石与水冷台之 间的热传递路径，从而直接影响导热效果，使籽晶的生长温度不断升高，难以 保证晶体长时间的稳定生长条件，阻碍了大尺寸金刚石单晶的合成。

中国专利CN104775154A公开了一种同质外延生长单晶金刚石时控制表面 温度的方法，该方法在籽晶与籽晶托盘中间焊接金箔，同时，为了防止导热过 快在基片托盘底下加隔热丝，从而保证了金刚石与等离子体均匀接触，进而达 到温度场的均匀性，使金刚石生长得更好。该发明虽然可以有效抑制石墨与籽 晶和籽晶托盘的接触，提供稳定的生长温度。但是，在籽晶与籽晶托盘凹槽间 焊接的金箔对生长温度有一定要求，金箔在1000℃左右会熔化，这在一定程度 上限制了使用该方法时的沉积温度范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于金刚石单晶同质外延的籽晶托盘，旨在同 时解决现有MPCVD(微波等离子体化学气相沉积)系统中籽晶温度很难得到 有效控制的问题。

本发明的另一目的在于提供一种用于金刚石单晶同质外延的基台组件，包 括上述籽晶托盘。

本发明的再一目的在于提供一种使用上述基台组件制备金刚石单晶的方 法。

本发明是这样实现的，一种用于金刚石单晶同质外延的籽晶托盘，所述籽 晶托盘置于微波等离子体化学气相沉积装置的水冷台上，所述籽晶托盘中心开 设有用于放置籽晶的穿孔。

相应的，一种用于金刚石单晶同质外延的基台组件，包括水冷台和设置在 所述水冷台上的籽晶托盘，所述籽晶托盘为上述的用于金刚石单晶同质外延的 籽晶托盘。

以及，一种使用上述基台组件制备金刚石单晶的方法，包括以下步骤：

将所述籽晶和籽晶托盘分别进行表面清洁处理后，将所述籽晶托盘置于所 述水冷台上，将所述籽晶置于所述籽晶托盘的穿孔中；

关闭反应腔门，抽气至所述反应腔的气压为10^-3-10^-4Pa，通入氢气，输入 压强和微波功率，用氢等离子体刻蚀所述籽晶；

刻蚀结束后通入甲烷气体，调控压强和输入功率来调节金刚石生长温度， 制备金刚石单晶。

本发明提供的用于金刚石单晶同质外延的籽晶托盘，所述籽晶托盘中心开 设有用于放置籽晶的穿孔，可以实现籽晶与水冷台接触，且所述籽晶没有与所 述籽晶托盘直接接触，从而避免了沉积石墨引起的温度漂移，为籽晶提供稳定 有效的生长环境，使金刚石单晶保持在高功率密度下持续生长，获得高质量金 刚石单晶。同时，所述籽晶托盘的凹面能够抑制籽晶边缘的过快生长，有效抑 制孪晶等影响金刚石质量的因素，进一步提高金刚石单晶的质量。此外，本发 明提供的用于金刚石单晶同质外延的籽晶托盘，不需要焊接金箔来抑制石墨对 温度的影响，因此，生长温度不受金箔熔点的限制，扩展了其沉积温度范围。