[发明专利]一种通过微波等离子体采用碳化硼制备金刚石的方法

说明书

本发明提供了一种通过微波等离子体采用碳化硼制备金刚石的方法，上述方法包括：预处理步骤：提供衬底，将固态碳化硼颗粒均匀放置在上述衬底周围，并放入微波等离子体反应室中；形核步骤：采用第一工艺参数组合产生等离子体轰击上述固态碳化硼颗粒，以使金刚石在上述衬底表面形核；以及生长步骤：采用第二工艺参数组合产生等离子体轰击上述固态碳化硼颗粒，以在上述衬底表面生成掺硼的金刚石；其中上述第一工艺参数组合不同于上述第二工艺参数组合。本发明还提供了根据上述方法所制备的掺硼的金刚石。本发明所提供的方法采用廉价、安全的碳化硼制备掺硼金刚石，降低工艺成本，提高工艺安全。所制备的掺硼的金刚石质地均匀，性能良好，应用广泛。

技术领域

本发明涉及金刚石的制备领域，尤其涉及一种通过微波等离子体采用碳化硼制备金刚石的方法。

背景技术

金刚石，由于具有十分优越的性能，在很多领域有着广泛的应用。天然金刚石数量稀少，价格昂贵，难以满足各个领域的大量需求。用高温高压法(HTHP法)制备的人造金刚石，由于含有金属催化剂，也影响到金刚石的性质。目前，采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术，能够在衬底材料表面生长出高质量的人造金刚石。

微波等离子体化学气相沉积装置一般包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室。等离子体反应室中设有一个自旋转基片台，自旋转基片台上表面放置有圆形且具有一定厚度的供金刚石生长的衬底材料。微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，等离子体球紧贴在衬底材料表面，通过调整不同的反应气体以及工艺参数，可以在衬底材料表面生长出CVD金刚石。

CVD金刚石并非导体，若对CVD半导体进行硼掺杂，则可以使CVD金刚石由非导电体变为半导体甚至是导体，从而能够拓宽CVD金刚石在更多领域中的更多应用前景。

若要对CVD金刚石进行硼掺杂，需要提供含硼原料。现有最常用的硼源是气态的硼乙烷，但是这种气体遇到空气或者氧气，就会形成氧化硼粉末，粉末很容易堵塞生长金刚石系统的气路部分，而且该氧化反应速度很快，很容易引起燃烧甚至爆炸，对实际操作有危险性。

也有通过含硼的液体被其他反应气体携带而以气态方式进入反应腔的操作方法，如通入液体三甲基硼。但这种液体易燃、易爆，能使人烧伤。另外一种常用的液态硼源为硼酸三甲酯(熔点：-34℃，沸点：68-69℃)，该物质有较强的腐蚀性，长期使用会对化学气相沉积设备的腔体造成腐蚀，影响设备寿命。

无论是气态硼源还是液态硼源都具有各种缺点。固态的含硼原料价格低廉，性质较为稳定，能够克服气态硼源和液态硼源引起的问题，是目前掺硼CVD金刚石生长工艺的发展趋势之一。

目前常用的固体硼源在进行微波CVD的过程中仍然需要将含硼的固体原料溶解在液体中，通过反应气体携带进入反应腔中进行掺硼。例如将固态氧化硼溶解在有机溶剂中，如甲醇或者丙酮，再通过反应气体如氢气作为载气将含硼的有机溶液以气态的方式带入反应腔中。这种方法由于引入氧化硼中含有的氧的成分，同时有机溶剂中也有含氧的成分，使用时很难控制将反应气体的浓度配比控制在理想的状态。而且溶解固体用的有机溶剂对等离子体成分也有很多不确定的影响。

申请号为201910925306.0的专利文献《一种利用固态掺杂源制备掺硼金刚石的方法》公开了一种使用硼粉加石墨的方法进行CVD金刚石的掺硼制备方法。在该方法中由于使用了大量的石墨(摩尔百分比90-99％)，石墨在MPCVD沉积生长CVD金刚石的过程中，会被原子氢所刻蚀而进入等离子体球的生长区域中，对生长环境中碳的浓度有很大的影响。同时会消耗大量的原子氢，从而降低了CVD金刚石沉积区域中原子氢的浓度。而原子氢的浓度的降低会大幅度降低CVD金刚石的沉积质量。另外，由于该方法中固体原料含有两种单质：单质硼和石墨，二者在等离子体的环境中，被等离子体刻蚀的速率是不同的，因此随着沉积时间的不断进行，固体原料中两种单质的百分比会发生变化，从而导致掺硼量也会不断的发生变化。