[发明专利]一种金刚石晶圆及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金刚石产品及其生产方法，特别是涉及一种利用现有的廉价工业金刚石磨料生产金刚石晶圆及其生产方法。

背景技术

金刚石作为一种超级材料，具有独一无二的特性，和其他材料相比具有以下特点：（1）硬度高：是世界上已知的硬度最高的物质，金刚石的显微硬度是90GPa；（2）杨氏模量最大：金刚石的杨氏模量约为1100GPa；（3）热导率最高：室温下IIa型天然金刚石的热导率为20W/（cm.K）；人造宝石级金刚石可以达到甚至超过IIa型天然金刚石的热导率；同位素纯碳（C12为99.9％）的人造大颗粒单晶金刚石的热导率可以达到33 W/（cm.K）；（4）摩尔密度最大：金刚石的摩尔密度为0.293克原子/cm³；（5）传声速度最快：声音在金刚石内的传输速度为18.2km/s；（6）透波波段最宽：IIa型天然金刚石的透波波段从200nm的紫外光、可见光、红外光（2.5～7.8um除外）、远红外光直至微波，人造金刚石和天然金刚石类似；（7）禁带宽度最大的半导体：金刚石的禁带宽度为5.5eV。

另外，金刚石还具有最低摩擦系数、最强抗压系数、光电转换系数最高、尖利度最大以及耐酸碱腐蚀、高耐热性、负阴电性和低膨胀系数等特征，在很多性能上超越传统材料，在许多应用领域里金刚石将成为不可替代的最高性能的物质，因此金刚石不仅是宝石之王，更是材料之王。

金刚石晶体的四面体共价键晶格结构和主要半导体的晶格结构完全相同，包括Si、SiC、GaAs、GaN、GaP等，但因金刚石的原子比其它半导体小的多，因此金刚石晶格最紧密，这就是为什么金刚石硬度最高、散热速度最快，而且传声速度最大的根本原因。金刚石密集的四面体晶格结构不仅使它成为最好的散热片，它自身也可以成为速度最快的半导体。金刚石半导体有比其它半导体更优异的性能，如500℃高温下仍能正常运转；晶体管的密度比硅半导体高数倍，能够成为未来超速（如>100GHz）、超高能（>100W）电脑的终极芯片。

目前人工合成的工业金刚石，从性能上说已经达到和超越了天然金刚石的所有性能，但是尺寸太小（绝大部分在0.6mm及以下），目前只能作为工业应用领域的超级磨料，这仅利用了金刚石硬度高的特点，已经大量应用于各种材料的锯切、非黑色金属加工和研磨抛光、地质钻探等领域。

如果金刚石的尺寸足够大，除了可应用在机械领域外，还可应用在电子领域（如电脑的终极芯片）、光学领域（如大功率LED、激光武器的窗口）、辐射领域（如X光的视窗）、声学领域（如高保真的喇叭膜）、通讯领域（如宽频的滤波器）、热学领域（如高速的散热片）、光伏电池（如高效率的太阳能电池）、医学（如超滑的人工关节、脑外科和眼外科手术刀）、航空航天（航天头盔镀层、航天陀螺仪加工）等领域。

当前世界各国的大颗粒工业金刚石生产主要以静压晶种法和化学气象沉积法为主，前者生长速度缓慢，导致成本高昂，不能被工业界所接受；后者生长的金刚石膜基本是多晶结构，并且掺杂困难，同时还有成本高昂的问题也限制了它的应用范围。

综上所述，探索新的方法制造性能稳定、价格低廉的新型金刚石单晶产品，对全方位开发金刚石的各项独特性能，推动中国工业钻石全方位的应用，有着非常重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种金刚石晶圆及其生产方法，解决了目前金刚石的尺寸较小、应用范围小、成本较高的问题，为开发金刚石的各项独特性能提供了技术平台。

本发明的技术方案：一种金刚石晶圆，其中的非金刚石物质的含量占金刚石晶圆总质量的0.05~15%。

一种金刚石晶圆的生产方法，包括以下步骤：先用有机化合物对金刚石磨料进行表面包覆处理，将处理后的金刚石磨料紧密规则平铺在模具中，表面用金属催化剂覆盖后压紧，然后放入真空炉中，在400~1000℃的高温下热处理2~10h，将处理后的模具装入叶蜡石合成块中，将叶蜡石合成块放入人造金刚石六面顶压机中，在6～8GPa、1400～2000℃的高压高温下处理1～10h，停热卸压后取出模具，用王水除去模具和金刚石表面的金属催化剂，即得到所述的金刚石晶圆。

所述金刚石磨料是晶型六八面体的金刚石磨料，粒度为0.2～2mm；所述金属催化剂为铁、钌、钯、钴、镍、铬、锰、铜中的一种，或它们的组合。

所述金属催化剂为铁、镍质量比为3：7的铁镍合金片；或者为镍锰钴合金片，其中镍、锰、钴的质量含量分别为70%、25%、5%。