一种处理单晶金刚石籽晶的方法
阅读说明：本技术 一种处理单晶金刚石籽晶的方法 (Method for processing monocrystal diamond seed crystal ) 是由 王洪波 顾海巍 褚巍 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种处理单晶金刚石籽晶的方法,本发明通过对单晶金刚石籽晶进行清洗、制备遮挡掩体、将样品按一定要求放置、再通过电感耦合等离子体处理,解决现有MPCVD生长中籽晶表面表面缺陷富集的问题,可以有效提高外延生长金刚石质量。(The invention provides a method for processing single crystal diamond seed crystals, which solves the problem of surface defect enrichment of the seed crystals in the existing MPCVD growth by cleaning the single crystal diamond seed crystals, preparing a shielding shelter, placing a sample according to certain requirements and then processing the sample by inductively coupled plasma, and can effectively improve the quality of epitaxially grown diamond.)
技术领域
本发明涉及一种处理单晶金刚石籽晶的方法。
背景技术
单晶金刚石具有高硬度、高热导率、优异的光学透过率及抗辐照能力和耐腐蚀性能，在精密加工、高频通讯、航天宇航等领域具有广泛应用。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，质量较差，且尺寸小，无法满足相关应用需求，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。
与之相比微波等离子体辅助化学气相沉积(MPCVD)法是目前公认的制备大尺寸单晶金刚石的最佳方法，该方法制备的单晶金刚石杂质浓度低、透过波段宽、缺陷密度低、尺寸大和生长速率可控。采用MPCVD法生长CVD金刚石时，多采用单晶的HPHT或天然金刚石片作为籽晶进行生长。单晶金刚石籽晶需要进行生长前加工，但由于金刚石具有极高的硬度和耐磨性，必须采用高功率激光对原石进行切割。激光高热作用会导致切割面产生严重的石墨化和非晶相，所以还需要进行抛光处理。机械抛光可以在很大程度上去除激光加工产生的石墨和非晶相层，但会导致加工后的籽晶表面存在大量的缺陷和位错。在这种富缺陷的籽晶上进行外延生长，生长晶格将会延续并放大原有缺陷，导致生长出的CVD金刚石内含大量缺陷，材料质量严重劣化，甚至无法生长单晶相，影响了材料制备的可靠性和产品的良品率。
发明内容
本发明提供一种处理单晶金刚石籽晶的方法，本发明通过对单晶金刚石籽晶进行清洗、制备遮挡掩体、将样品按一定要求放置、再通过电感耦合等离子体处理，解决现有MPCVD生长中籽晶表面表面缺陷富集的问题，可以有效提高外延生长金刚石质量。
一种处理单晶金刚石籽晶的方法包括如下步骤：
一、单晶金刚石籽晶清洗：
在超声功率为500W～1000W的条件下，将多块单晶金刚石籽晶依次置于丙酮、去离子水及无水乙醇中，分别清洗20min～30min，然后在温度为30℃～70℃的真空干燥箱中烘干，得到洁净的籽晶；
二、制备遮挡掩体：
用氧化物涂层将洁净的籽晶上不需要进行处理的部分进行遮挡，保留表面缺陷部分裸露，得到遮挡掩体的籽晶；
三、放置样品：
将多块遮挡掩体的籽晶整齐摆放于电感耦合等离子体设备的舱体样品托盘上，每块遮挡掩体的籽晶间距为20mm～50mm；
四、关舱：
样品台移入舱内，关闭舱体舱门；
五、抽真空：
关舱后，对舱体进行抽真空，使舱体内真空度达到1.0×10-6mbar～1.0×10- 5mbar；
六、电感耦合等离子体处理：
①、开启程序，通入氩气，设定氩气流量为10sccm～100sccm，使得舱体气压为0.5Pa～30Pa，启动激发电源，激活电感耦合等离子体；
②、调节舱体气压为3Pa～40Pa，调节等离子体入射功率为200W～800W，使得电感耦合等离子体达到预热状态；
③、控制遮挡掩体的籽晶温度为400K～900K；
④、打开氧化气体阀门，通入氧化气体，设定氧化气体流量为2sccm～40sccm，保持舱内气压为2Pa～50Pa，待氧化气体与氩气的等离子体气氛混合均匀后，调节等离子体入射功率为300W～2200W及极化功率为300W～2200W，使电感耦合等离子体达到工作状态；
所述的氧化气体为氧气或氯气；
⑤、在氩气流量为10sccm～100sccm、氧化气体流量为2sccm～40sccm、舱内气压为2Pa～50Pa、等离子体入射功率300W～2200W、极化功率为300W～200W及遮挡掩体的籽晶温度为400K～900K的条件下，处理1h～50h；
⑥、关闭氧化气体阀门，停止通入氧化气体；
⑦、保持氩气流量为1sccm～100sccm，以100-200W/min的速度降低等离子体入射功率和极化功率，直至等离子体入射功率和极化功率分别降低至100W以下，且处理后的籽晶降温至室温；
⑧、关闭激发电源，熄灭等离子体辉光；
⑨、停止通入氩气，舱体抽真空；
⑩、开舱取出样品，即完成一种利用电感耦合等离子体技术处理单晶金刚石籽晶表面缺陷的方法。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过电感耦合等离子的轰击作用，对籽晶表面进行处理，解决了由于金刚石极高硬度而导致难以进行有效机械抛光，甚至在抛光中进一步引入缺陷的难题；
2、通过氧化物涂层作为遮挡掩体，使得籽晶表面有缺陷的部分被选择性的暴露并被等离子体轰击处理而处理；
3、电感耦合等离子体进行处理的均匀性可达纳米级，保证了处理部分的高度均一性；
4、处理后的籽晶由于处理缺陷，极大提高了晶体品质和使用可靠性。
本发明用于一种利用电感耦合等离子体技术处理单晶金刚石籽晶表面缺陷的方法。
附图说明
图1为单晶金刚石籽晶处理表面缺陷前的照片；
图2为实施例一制备的处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶的照片；
图3为未处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶进行生长CVD金刚石后的照片；
图4为实施例一制备的处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶生长CVD金刚石后的照片；
图5为拉曼光谱图，1为未处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶，2为实施例一制备的处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶。
图6为处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶的原子力显微镜测试结果，可见其粗糙度测定值为1.4nm，表明处理后的均匀性达到1纳米级。
具体实施方式
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。
具体实施方式一：本实施方式所述的一种处理单晶金刚石籽晶的方法包括如下步骤：
一、单晶金刚石籽晶清洗：
在超声功率为500W～1000W的条件下，将多块单晶金刚石籽晶依次置于丙酮、去离子水及无水乙醇中，分别清洗20min～30min，然后在温度为30℃～70℃的真空干燥箱中烘干，得到洁净的籽晶；
二、制备遮挡掩体：
用氧化物涂层将洁净的籽晶上不需要进行处理的部分进行遮挡，保留表面缺陷部分裸露，得到遮挡掩体的籽晶；
三、放置样品：
将多块遮挡掩体的籽晶整齐摆放于电感耦合等离子体设备的舱体样品托盘上，每块遮挡掩体的籽晶间距为20mm～50mm；
四、关舱：
样品台移入舱内，关闭舱体舱门；
五、抽真空：
关舱后，对舱体进行抽真空，使舱体内真空度达到1.0×10-6mbar～1.0×10- 5mbar；
六、电感耦合等离子体处理：
①、开启程序，通入氩气，设定氩气流量为10sccm～100sccm，使得舱体气压为0.5Pa～20Pa，启动激发电源，激活电感耦合等离子体；
②、调节舱体气压为3Pa～40Pa，调节等离子体入射功率为200W～800W，使得电感耦合等离子体达到预热状态；
③、控制遮挡掩体的籽晶温度为400K～900K；
④、打开氧化气体阀门，通入氧化气体，设定氧化气体流量为2sccm～40sccm，保持舱内气压为2Pa～50Pa，待氧化气体与氩气的等离子体气氛混合均匀后，调节等离子体入射功率为300W～2200W及极化功率为300W～2200W，使电感耦合等离子体达到工作状态；
所述的氧化气体为氧气或氯气；
⑤、在氩气流量为10sccm～100sccm、氧化气体流量为2sccm～40sccm、舱内气压为2Pa～50Pa、等离子体入射功率为300W～2200W、极化功率为300W～2200W及遮挡掩体的籽晶温度为400K～900K的条件下，处理1h～50h；
⑥、关闭氧化气体阀门，停止通入氧化气体；
⑦、保持氩气流量为10sccm～100sccm，以100-200W/min的速度降低等离子体入射功率和极化功率，直至等离子体入射功率和极化功率分别降低至100W以下，且处理后的籽晶降温至室温；
⑧、关闭激发电源，熄灭等离子体辉光；
⑨、停止通入氩气，舱体抽真空；
⑩、开舱取出样品，即完成一种利用电感耦合等离子体技术处理单晶金刚石籽晶表面缺陷的方法。
本具体实施方式步骤二中用氧化物涂层将籽晶上不需要进行处理的部分进行遮挡，只保留需要进行处理部分裸露，具体处理部分视金刚石表面缺陷分布情况而定。
本实施方式的有益效果是：1、本实施方式通过电感耦合等离子的轰击作用，对籽晶表面进行处理，解决了由于金刚石极高硬度而导致难以进行有效机械抛光，甚至在抛光中进一步引入缺陷的难题；
2、通过氧化物涂层作为遮挡掩体，使得籽晶表面有缺陷的部分被选择性的暴露并被等离子体轰击处理而处理；
3、电感耦合等离子体进行处理的均匀性可达纳米级，保证了处理部分的高度均一性；
4、处理后的籽晶由于处理缺陷，极大提高了晶体品质和使用可靠性。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤六①中开启程序，通入氩气，设定氩气流量为10sccm～100sccm，使得舱体气压为0.5Pa～30Pa，启动激发电源，激活电感耦合等离子体。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤六②中调节等离子体入射功率为200W～1000W。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤六③中控制遮挡掩体的籽晶温度为400K～900K。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤六④中，当所述的氧化气体为氧气时，设定氧化气体流量为10sccm～50sccm，保持舱内气压为2Pa～50Pa，待氧化气体与氩气的等离子体气氛混合均匀后，调节等离子体入射功率为1000W～2000W及极化功率为1000W～2200W。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤六④中，当所述的氧化气体为氯气时，设定氧化气体流量为2sccm～40sccm，保持舱内气压为2Pa～50Pa，待氧化气体与氩气的等离子体气氛混合均匀后，调节等离子体入射功率为800W～2000W及极化功率为800W～2000W。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤六⑤中在氩气流量为1sccm～50sccm、氧化气体流量为10sccm～50sccm、舱内气压为2Pa～50Pa、等离子体入射功率为1000W～2200W、极化功率为1000W～2200W及遮挡掩体的籽晶温度为400K～900K的条件下，处理籽晶10h～50h。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤六⑤中在氩气流量为1sccm～50sccm、氧化气体流量为10sccm～50sccm、舱内气压为2Pa～50Pa、等离子体入射功率为800W～2000W、极化功率为800W～2000W及遮挡掩体的籽晶温度为300K～800K的条件下，处理籽晶10h～50h。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤六⑦中保持氩气流量为10sccm～50sccm，以10～200W/min的速度降低等离子体入射功率和极化功率，直至等离子体入射功率和极化功率分别降低至100W以下，且处理后的籽晶降温至室温。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中所述的氧化物涂层为SiO2。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种利用电感耦合等离子体技术处理单晶金刚石籽晶表面缺陷的方法是按照以下步骤进行的：
一、单晶金刚石籽晶清洗：
在超声功率为300W的条件下，将多块单晶金刚石籽晶依次置于丙酮、去离子水及无水乙醇中，分别清洗10min，然后在温度为60℃的真空干燥箱中烘干，得到洁净的籽晶；
二、制备遮挡掩体：
用SiO2氧化物涂层将洁净的籽晶上不需要进行处理的部分进行遮挡，保留表面缺陷部分裸露，得到遮挡掩体的籽晶；
三、放置样品：
将多块遮挡掩体的籽晶整齐摆放于电感耦合等离子体设备的舱体样品托盘上，每块遮挡掩体的籽晶间距为30mm；
四、关舱：
样品台移入舱内，关闭舱体舱门；
五、抽真空：
关舱后，对舱体进行抽真空，使舱体内真空度达到5.0×10-6mbar；
六、电感耦合等离子体处理：
①、开启程序，通入氩气，设定氩气流量为10sccm，使得舱体气压为10Pa，启动激发电源，激活电感耦合等离子体；
②、调节舱体气压为10Pa，调节等离子体入射功率为500W，使得电感耦合等离子体达到预热状态；
③、控制遮挡掩体的籽晶温度为800K；
④、打开氧化气体阀门，通入氧化气体，设定氧化气体流量为10sccm，保持舱内气压为10Pa，待氧化气体与氩气的等离子体气氛混合均匀后，调节等离子体入射功率为1000W及极化功率为1000W，使电感耦合等离子体达到工作状态；
所述的氧化气体为氧气；
⑤、在氩气流量为10sccm、氧化气体流量为10sccm、舱内气压为10Pa、等离子体入射功率为1000W、极化功率为1000W及遮挡掩体的籽晶温度为800K的条件下，处理10h；
⑥、关闭氧化气体阀门，停止通入氧化气体；
⑦、保持氩气流量为10sccm，以100W/min的速度降低等离子体入射功率和极化功率，直至等离子体入射功率和极化功率分别降低至100W以下，且处理后的籽晶降温至室温；
⑧、关闭激发电源，熄灭等离子体辉光；
⑨、停止通入氩气，舱体抽真空；
⑩、开舱取出样品，得到处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶，即完成一种利用电感耦合等离子体技术处理单晶金刚石籽晶表面缺陷的方法。
图1为单晶金刚石籽晶处理表面缺陷前的照片；由图可知，表面乌黑且不平整，表明有激光切割导致的缺陷；
图2为实施例一制备的处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶的照片；由图可知，表面洁白且平整均匀，表明缺陷已处理；
图3为未处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶进行生长CVD金刚石后的照片；由图可知，表面发生明显的多晶化；
图4为实施例一制备的处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶生长CVD金刚石后的照片；由图可知，表面光亮平滑，为典型的单晶生长形貌。
图5为拉曼光谱图，1为未处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶，2为实施例一制备的处理表面缺陷的单晶金刚石籽晶。由图可知，可见处理缺陷后，生长层为高质量单晶，未处理缺陷的出现多晶和非晶相特征峰。
本实施例通过电感耦合等离子体的轰击处理作用，使籽晶表面带有缺陷的暴露部分被去除，进而提高了晶体品质和可靠性，使其具有更加优秀的材料属性和应用价值，并且通过CVD生长后的形貌和拉曼光谱结果也可发现，利用电感耦合等离子体去除缺陷后的籽晶，更易生长出无缺陷的优质单晶金刚石外延层。
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