一種金剛石單晶人工生長裝置的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種用于人工生長金剛石單晶的裝置，屬于金剛石單晶生長技術(shù)領域。
【背景技術(shù)】
[0002]IIb型金剛石是目前自然界已發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)的半導體材料，它的高導熱系數(shù)、高電子和空穴迀移率、高介電擊穿場、低介電損耗和寬帶隙，是其它任何材料所不能比擬的。自然存在的具有半導體性質(zhì)的IIb型金剛石非常稀有，以至于已公開的研究、技術(shù)或方法都是將自然存在相對數(shù)量較大的或人工生長的Π a型金剛石作為襯底材料，進行半導體晶片加工，所述的半導體晶片加工是指電子束照射、步進器，硅或其它常用半導體的微結(jié)構(gòu)中采用的其它此類技術(shù)。
[0003]中國專利文獻CN1840472B公開的《金剛石單晶襯底的制造方法和金剛石單晶襯底》，是將HTHP方法生長的厘米級金剛石單晶機械加工后，按晶面和角度拼接以作為具有較大表面積的金剛石種襯底，在金剛石種襯底上通過化學氣相沉積法外延生長具有較大表面積的金剛石晶體，并將其作為襯底材料進行半導體晶片加工。日本專利文獻11-1392A公開的方法中半導體金剛石的制造是由低折射率平面組成的金剛石單晶制作大表面積的金剛石襯底，通過化學氣相沉積在該平面上同相外延生長金剛石，作為金剛石半導體的襯底材料。日本專利文獻3-75298A公開的方法是通過處理具有基本上相互同相的晶體取向的許多高壓相物質(zhì)，形成其具有化學氣相生長的晶核作用的襯底，并通過化學氣相沉積在襯底上生長單晶，從而得到大單晶。上述方法是基于人工HTHP方法生長的IIa型金剛石單晶僅有厘米級，以其作為襯底很難采用為直徑數(shù)英寸的晶片設計的加工裝置，以及難以克服后續(xù)的抗光蝕層涂覆步驟的外圍步驟中遇到的困難。
[0004]上述CN1840472B公開的《金剛石單晶襯底的制造方法和金剛石單晶襯底》中描述的方法雖然克服了兩個日本專利文獻所述方法中的一些缺陷，但其指導思想和半導體金剛石的制備原理是一致的，都是先將多個較小表面積的單晶加工后拼接成具有較大表面積的晶體，以此作為種襯底，再利用化學氣相沉積法在該種襯底上生長出較大表面積的金剛石晶體為襯底，進行金剛石半導體晶片加工。采用上述化學氣相沉積法(CVD法)在金剛石晶體種襯底上生長具有較大表面積的金剛石晶體，并以此金剛石晶體為襯底進行金剛石半導體晶片加工，雖然能夠適合現(xiàn)有的半導體晶片的加工裝置，但在CVD法生長金剛石晶體時具有較大的困難。
[0005](I)已公知的技術(shù)表明金剛石單晶各個晶面在相同的溫度、壓力條件下的生長速度是不一致的，晶體的{100}面、{110}面、{111}面均具有最優(yōu)的生長條件，在同一生長室內(nèi)，極難分別做到適應各個晶面具有相同生長速度的不同的生長環(huán)境，上述情況CN1840472B公開的《金剛石單晶襯底的制造方法和金剛石單晶襯底》在【具體實施方式】中已經(jīng)提到過，為解決相同條件下不同晶面生長速度不同、導致金剛石晶體出現(xiàn)缺陷，影響半導體晶片加工的問題，該專利文獻對作為種襯底的晶體的加工、拼接等提出了極為嚴格的條件。因此利用CVD法在金剛石晶體種襯底上生長金剛石晶體時易因晶面的生長速度不同而生長出多晶或晶簇，滿足不了制備金剛石半導體晶片的要求；
[0006](2)因為上述原因，CVD法在金剛石晶體襯底上生長金剛石晶體時成品率低，生產(chǎn)成本高昂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型針對現(xiàn)有金剛石單晶制備技術(shù)存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、能夠生產(chǎn)出粒徑大于1mm的金剛石單晶人工生長裝置。
[0008]本實用新型的金剛石單晶人工生長裝置，采用以下技術(shù)方案:
[0009]該裝置，包括導電片、導電石墨環(huán)、耐火保溫套、石墨管、絕緣槽和導電石墨片；導電石墨片和絕緣槽設置在石墨管內(nèi)，導電石墨片設置在絕緣槽的開口處，兩者形成金剛石單晶生長的封閉空間，石墨管的外側(cè)設置有耐火保溫套，石墨管的上端和下端均設置有端蓋，端蓋內(nèi)設置有導電石墨環(huán)，端蓋的外側(cè)設置有導電片，導電石墨環(huán)的兩端分別與石墨管和導電片接觸。
[0010]所述耐火保溫套是在葉臘石塊內(nèi)套裝白云石環(huán)而成。
[0011]在封閉空間內(nèi)裝有石墨塊和金屬觸媒塊，石墨塊或金屬觸媒塊中摻加氮化硼，金屬觸媒塊置于石墨塊的下方。石墨管用于加熱，導電石墨片和石墨塊為金剛石單晶生長提供碳源。上下端的導電片分別與六面頂油壓機的兩個導電頂錘接觸，油壓機的加熱變壓器提供的低壓電流通過導電頂錘、導電片、導電石墨環(huán)和石墨管形成加熱回路，低壓電流通過石墨管產(chǎn)生熱量，耐火保溫套及上下端蓋起到密封、傳壓和保持溫度的作用。石墨管產(chǎn)生的熱量經(jīng)絕緣套傳熱至腔體內(nèi)部，保證晶體生長需要的溫度。石墨塊與金屬觸媒塊在達到共晶溫度時會互溶，碳在溫度差的作用下逐漸移向金屬觸媒塊的底部晶種位置。借助金剛石晶種及其它工藝條件，生產(chǎn)出粒徑大于1mm的大顆粒金剛石單晶體或具有半導體性質(zhì)的Πb型的金剛石單晶。
[0012]本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，通過HPHT(高溫高壓)，利用溫度梯度法能夠生長出粒徑大于1mm的大顆粒金剛石單晶體或具有半導體性質(zhì)的IIb型的金剛石單晶。
【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型金剛石單晶人工生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]其中:1、導電片，2、導電石墨環(huán)，3、葉臘石塊，4、白云石環(huán)，5、石墨管，6、絕緣槽，7、導電石墨片，8、石墨塊，9、金屬觸媒塊，10、端蓋。
【具體實施方式】
[0015]本實用新型金剛石單晶人工生長裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括導電片1、導電石墨環(huán)2、葉臘石塊3、白云石環(huán)4、石墨管5、絕緣槽6和導電石墨片7。導電石墨片7和絕緣槽6設置在石墨管5內(nèi)，且導電石墨片7設置在絕緣槽6的開口處，兩者形成金剛石單晶生長的封閉空間，該空間內(nèi)裝有石墨塊8和金屬觸媒塊9，金屬觸媒塊9置于石墨塊8的下方。石墨管5用于加熱。石墨管5的外側(cè)設置有耐火保溫套，該耐火保溫套是在葉臘石塊3內(nèi)套裝白云石環(huán)4而成，葉臘石和白云石均為耐火材料，葉臘石塊3用于密封、傳壓及保溫，白云石環(huán)4作為保溫材料。石墨管5的上端和下端均設置有端蓋10，端蓋10內(nèi)設置有導電石墨環(huán)2。端蓋10的外側(cè)設置有導電片I，導電石墨環(huán)2的兩端分別與石墨管5和導電片I接觸。導電石墨片7和石墨塊8為金剛石單晶生長提供碳源。
[0016]本實用新型選擇現(xiàn)有人工生長金剛石普遍采用的六面頂油壓機作為加壓設備，保證能夠提供滿足金剛石晶體5.6-5.9GPa的壓力條件。上下端的導電片I分別與六面頂油壓機的兩個導電頂錘接觸，油壓機的加熱變壓器提供的低壓電流通過導電頂錘、導電片1、導電石墨環(huán)2和石墨管5形成加熱回路，低壓電流通過石墨管5產(chǎn)生熱量，葉臘石塊3、白云石環(huán)4及上下端蓋10起到密封、傳壓和保持溫度的作用。石墨管5產(chǎn)生的熱量經(jīng)絕緣套6傳熱至腔體內(nèi)部，保證晶體生長需要的溫度。石墨塊8與含硼的金屬觸媒塊9在達到共晶溫度時會互溶，碳在溫度差AT的作用下逐漸移向金屬觸媒塊9的底部晶種位置。
[0017]采用粒徑0.5-lmm的金剛石晶種的一個{100}面作為生長面，當腔體內(nèi)達到高于石墨塊與金屬觸媒塊共晶溫度時，使晶種的{100}面的生長始終處于優(yōu)勢，晶體沿生長面逐漸長大，生產(chǎn)出粒徑大于1mm的大顆粒金剛石單晶體。
[0018]在石墨塊和金屬觸媒塊中摻加一定量的硼，采用粒徑0.5-lmm的Ia型金剛石晶種的一個{100}面或{110}面作為生長面，當腔體內(nèi)達到高于石墨塊與金屬觸媒塊共晶溫度時，晶種的{100}面或{110}面會生長并保持優(yōu)先，晶體沿生長面逐漸長大，就會生長出粒徑大于1mm且具有半導體性質(zhì)的IIb型的金剛石單晶。
【主權(quán)項】
1.一種金剛石單晶人工生長裝置，包括導電片、導電石墨環(huán)、耐火保溫套、石墨管、絕緣槽和導電石墨片;其特征是:導電石墨片和絕緣槽設置在石墨管內(nèi)，導電石墨片設置在絕緣槽的開口處，兩者形成金剛石單晶生長的封閉空間，石墨管的外側(cè)設置有耐火保溫套，石墨管的上端和下端均設置有端蓋，端蓋內(nèi)設置有導電石墨環(huán)，端蓋的外側(cè)設置有導電片，導電石墨環(huán)的兩端分別與石墨管和導電片接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述金剛石單晶人工生長裝置，其特征是:所述耐火保溫套是在葉臘石塊內(nèi)套裝白云石環(huán)而成。
【專利摘要】一種金剛石單晶人工生長裝置，包括導電片、導電石墨環(huán)、耐火保溫套、石墨管、絕緣槽和導電石墨片，導電石墨片和絕緣槽設置在石墨管內(nèi)，導電石墨片與絕緣槽形成金剛石單晶生長的封閉空間，石墨管的外側(cè)設置有耐火保溫套及端蓋，端蓋內(nèi)設置有導電石墨環(huán)，端蓋的外側(cè)設置有導電片，導電石墨環(huán)的兩端分別與石墨管和導電片接觸。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，封閉空間內(nèi)裝有石墨塊和金屬觸媒塊，采用高溫高壓條件，通過HPHT（高溫高壓），利用溫度梯度法能夠生長出粒徑大于10mm的大顆粒金剛石單晶體或具有半導體性質(zhì)的Ⅱb型的金剛石單晶。
【IPC分類】C30B11/00, C30B29/04
【公開號】CN205275791
【申請?zhí)枴緾N201620008459
【發(fā)明人】王篤福, 王盛林, 王希江, 潘子明, 王?，|, 徐昌
【申請人】濟南中烏新材料有限公司, 山東貝斯特環(huán)境技術(shù)有限公司
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年1月6日