納米金剛石粉預處理的大面積金剛石膜材料的生長工藝的製作方法

2023-07-27 12:38:06 3

專利名稱：納米金剛石粉預處理的大面積金剛石膜材料的生長工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬一種金剛石膜材料的製備工藝。
大面積金剛石膜的製備要求首先在襯底表面形成較高的、均勻的成核密度，否則膜的生長速率將十分緩慢。與本發明最接近的現有技術是載於荷蘭出版的《金剛石與相關材料》雜誌上的一篇文章。文章題目是「Initial results of a novel Pre-deposition seeding techniquefor achieving an ultra-high nucleation density for CVD diamond growth」《Diamond and RelatedMarterials》6(1997)430-434。該文章給出了靜電方法在襯底表面形成金剛石仔晶，通過靜電種植仔晶設備來控制襯底表面仔晶的密度，從而獲得了超高成核密度，達到1012個/cm2以上。之後採用微波等離子體化學氣相沉積方法製備金剛石膜。該方法具有仔晶密度高、金剛石膜沉積速率較快、製得的金剛石膜面積也較大(3英寸)等優點，但也有不足之處，第一，靜電產生金剛石仔晶的方法複雜，需要專門設備，因而也提高了制膜的成本；第二，靜電生產的金剛石仔晶互相堆積，使在這種仔晶上的金剛石膜與襯底之間的附著力差，嚴重地影響了金剛石膜材料的應用。
本發明為克服現有技術的不足，採用全新對襯底預處理方法，提高仔晶的密度降低金剛石膜生長的溫度，達到生長大面積、高品質、附著力強的金剛石膜材料並能達到降低制膜成本的目的。
本發明的目的是這樣實現的首先對襯底通過納米金剛石粉溶液中浸漬、結合高溫等離子體中退火的預處理過程，以便形成均勻分布、具有較好附著力、成核密度較高的大面積金剛石仔晶，最後通過調整工藝參數，特別是氣體壓力和襯底溫度實現金剛石膜的大面積均勻生長，金剛石膜的面積按直徑計算可達100～200mm。
本發明的納米金剛石粉預處理的大面積金剛石膜生長工藝，經過預處理和化學氣相沉積過程。所說的預處理，是將襯底置於納米級金剛石粉的乙醇溶液中浸漬後，水平放置使乙醇揮發，再放置於微波反應室內，在400～500sccm的流動氫氣，氣體壓強在8～15mbar條件下，調整微波功率使襯底溫度不小於900℃，處理2小時以上，冷卻至常溫。所說的化學氣相沉積生長金剛石膜，是以氫氣和甲烷為原料氣體，在熱燈絲CVD裝置中，或在微波CVD裝置中進行。在氣體壓強為5～15mbar，襯底溫度在600～950℃條件下生長金剛石膜。生長金剛石膜的原料氣體比例，流量與常規的相同。氣體壓強是對比文件的1/4～1/10倍，襯底溫度比對比文件要低約200～250℃。這對生長大面積金剛石膜有利，對生長時襯底溫度的控制要方便得多。
前述的納米級金剛石粉的乙醇溶液，是這樣配製的將150～200nm和5～20nm的兩種粒度的金剛石粉以(0.5～1)∶1的質量比混合，溶於乙醇液體中，控制其濃度在20～100g/l，經攪拌或/和超聲振蕩製成。一般地都需要進行超聲振蕩，比方，將加入兩種金剛石粉的乙醇溶液放入80～100W功率的超聲容器中，超聲振蕩2小時以上，以形成均勻分布的納米金剛石粉溶液。
前述的對襯底的浸漬，是將襯底放入納米級金剛石粉溶液中，可以橫向放入也可以豎直放入，最好是豎直放入，再豎直緩慢取出，即以2～4mm/秒的速率，讓襯底豎直取出，最後水平放置於氮氣環境，使乙醇揮發。
如果按上述的方法配製納米級金剛石粉的乙醇溶液和對襯底進行浸漬，則可保證獲得均勻分布的納米金剛石晶粒。比方，只使用小粒度金剛石粉，則可能造成仔晶粒在襯底分布不均勻；只使用大粒度金剛石粉，則可能造成仔晶成核密度低，因而生長的金剛石膜也會不緻密、不光滑。
實施例1.金剛石粉的乙醇溶液配製的比較好的過程是將5克(150±10)nm和5克(10±2)nm的金剛石粉溶於200ml乙醇液體中，在功率100W的超聲儀器中振蕩3小時，使納米級金剛石粉均勻懸浮於乙醇溶液中。將矽片直放於金剛石粉的乙醇溶液中，再以2mm/秒的速度提出，至完全提出，水平置於乾燥容器中，通入1000sccm的氮氣，至表面乙醇完全揮發。
實施例2.高溫等離子體退火處理的比較好的過程是將由實施例1浸漬過的矽片，放置於微波反應室中，真空抽至10-2mbar以下，通入500sccm的氫氣，保持氣壓(25±2)mbar，加熱襯底的溫度至(500±20)℃，開啟微波功率至700W，形成等離子體球。再將氣壓調至10mbar。升高微波功率使襯底溫度升至(950±10)℃，退火2小時。最後逐漸降低微波功率和襯底溫度，保持氫氣氣氛，使襯底逐漸冷卻至常溫。
退火處理主要能達到使生長的金剛石膜牢固地附著於襯底上，以利於金剛石膜的應用。
實施例3，用熱燈絲CVD裝置生長金剛石膜將實施例1、2處理後的襯底置於熱燈絲輔助的化學氣相沉積裝置中生長金剛石膜。首先將真空室抽真空至10-2mbar以下，充入200sccm的氫氣，加熱燈絲至(2100±100)℃，調整襯底與燈絲的距離，使襯底溫度為(650±30)℃，充入2sccm的甲烷，保持氣壓(10±2)mbar。調整好上述條件後，生長10小時，得到膜厚約10μm的直徑100mm的大面積金剛石膜。
當襯底溫度為600℃時，生長的金剛石膜品質也很好，只是生長速率略低，但非常有利於低熔點材料被選作襯底。當襯底溫度達950℃時生長金剛石膜，生長速率略有提高，但卻造成電能損耗過大。總體上說，化學氣相法沉積金剛石膜時，襯底溫度控制在600～730℃為益，金剛石膜的生長速率在1～2μm/小時。
熱燈絲法製備的金剛石膜的面積，直徑已經能達到200mm，這是因為燈絲排布的面積可以很大，且能得到比較均勻的熱場。
實施例4，微波CVD法生長金剛石膜將實施例1、2處理後的襯底置於微波等離子體化學氣相沉積裝置中生長金剛石膜，首先將真空室抽真空至10-2mbar以下，充入100sccm的氫氣，保持氣壓(25±2)mbar，加熱襯底溫度至(500±20)℃，開啟微波功率700W，形成等離子體球，再將氣壓調至(8±2)mbar，提高至微波功率至(900-1000)W，使襯底溫度升至600-700℃，充入1sccm的甲烷。調整好上述條件後，生長10小時，得到膜厚約為8μm的直徑100mm的大面積金剛石膜。
使用微波化學氣相沉積裝置的最大優點是襯底的退火處理和生長金剛石膜可以在同一設備中完成。並能在較低氣壓下形成範圍較大的等離子體球，可在大面積的襯底上生長金剛石膜。儘管生長的速率略低，但膜內雜質較少，品質較高。
本發明的工藝，能製備大面積、均勻生長、附著力強的高品質金剛石膜材料。由於經過納米級金剛石粉乙醇溶液的浸漬，金剛石仔晶密度大，均勻分布在任何尺寸的襯底整個表面，對生長大面積均勻金剛石膜起重要作用，也減小金剛石成核階段對溫度及襯底表面狀態的苛刻要求，因此可形成低溫下金剛石膜的低界面態密度的大面積生長。由於有了氫等離子體中退火處理，提高了金剛石核及以後生長的金剛石膜在襯底上的附著力，達到應用的要求。本發明的工藝，可以在較低氣壓和較低襯底溫度下生長金剛石膜，生長條件易控制，節省能源，降低了成本。所製備出的金剛石膜材料，具有低界面態密度、高附著力、大面積均勻等高品質，具有高可靠性、表面光滑、磨擦係數低等特點，適合於力學，光學和電子學領域應用。
權利要求
1.一種納米金剛石粉預處理的大面積金剛石膜材料的生長工藝，包括預處理和化學氣相沉積的過程。化學氣相沉積生長金剛石膜的原料氣體為氫氣和甲烷，在熱燈絲化學氣相沉積裝置或微波化學氣相沉積裝置中進行，其特徵在於，所說的預處理是將襯底置於納米級金剛石粉的乙醇溶液中浸漬後，水平放置使乙醇揮發，再放置於微波反應室內，在400～500 sccm的流動氫氣、氣體壓強8～15mbar條件下，調整微波功率使襯底溫度不小於900℃，處理2小時以上，冷卻至常溫；所說的化學氣相沉積生長金剛石膜，是在氣體壓強為5～15mbar，襯底溫度在600～950℃條件下生長金剛石膜。
2.按照權利要求1所述的納米金剛石粉預處理的大面積金剛石膜材料的生長工藝，其特徵在於，所說的納米級金剛石粉乙醇濃液是這樣配製的將150～200nm和5～20nm的兩種粒度的金剛石粉以(0.5～1)1的質量比混合溶於乙醇溶液中，控制其濃度在20～100g/l，經攪拌或/和超聲振蕩製成；所說的浸漬，是將襯底放入納米級金剛石粉乙醇溶液中，再以2～4mm/秒的速率，讓襯底堅直取出，再水平放置於氮氣環境使乙醇揮發。
3.按照權利要求1或2所述的納米金剛石粉預處理的大面積金剛石膜材料的生長工藝，其特徵在於化學氣相沉積中，襯底溫度控制在600～730℃。
全文摘要
本發明屬金剛石膜材料的製備工藝。包括預處理和長膜兩個過程。預處理是將襯底在納米級金剛石粉乙醇溶液中浸漬,再高溫氫氣氛等離子體中退火兩小時形成均勻高密度仔晶;長膜是氫氣和甲烷為原料氣體,在化學氣相沉積裝置中,在5～15mbar氣壓和600～950℃襯底溫度條件生長金剛石膜。本發明能生長均勻大面積金剛石膜,具有高附著力、低界面態密度、高可靠性、高品質與低成本等優良特性。
文檔編號C23C16/27GK1275635SQ00118919
公開日2000年12月6日 申請日期2000年6月16日 優先權日2000年6月16日
發明者顧長志, 金曾孫 申請人:吉林大學