[發明專利]低成本生長高品質納米金剛石膜的方法

無效

• 申請號: 200810064540.0
• 申請日: 2008-05-19
• 公開（公告）號: CN101294274A
• 公開（公告）日: 2008-10-29
• 發明（設計）人: 彭鴻雁;陳玉強;趙立新;姜宏偉
• 申請（專利權）人: 牡丹江師范學院
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/513;C23C16/455;C23C16/52
• 代理公司: 牡丹江市丹江專利事務所
• 代理人: 張雨紅

技術領域

本發明屬于超硬材料生長領域，涉及一種納米金剛石膜制備方法。

背景技術

通常化學氣相沉積法(簡稱CVD)生長出的金剛石膜具有與單晶金剛石幾乎相同的性能。這種金剛石膜是由微米級(幾微米到幾十微米)柱狀多晶組成的，生長面比較粗糙，金剛石的高硬度、高耐磨性使得膜片平整和拋光極為困難；由于金剛石的電阻率極高(電阻率10⁹-10¹⁶)，也無法用電加工的方法進行拋光和切割；膜片組成粒度較大，也難以將其做成形狀精度要求很高的微小部件。微米級的金剛石膜的缺點嚴重影響了金剛石膜在機械加工、光學和電子學方面的應用。為了克服這個缺點，必須減小金剛石膜晶粒尺寸，制備納米級尺寸的金剛石膜將成為非常有效的方法。納米金剛石膜由于其較高的晶界密度和尺寸效應，以及所表現出的優良的力學、電學、光學性能，如較高的耐磨性、較低的場致電子發射開啟電場和較大的場致電子發射電流等，在機械、光學和電子學等領域有著廣泛的應用前景。因此，納米金剛石一直是當今世界納米材料的研究熱點之一。

制備納米金剛石膜的方法主要有微波等離子體CVD法、熱絲CVD法等。微波等離子體CVD法設備比較復雜、昂貴，而熱絲CVD法由于熱絲重復使用性差、壽命有限，制備成本也比較高。

發明內容

針對上述微波等離子體CVD法、熱絲CVD法制備納米金剛石膜存在的缺點，本發明采用直流熱陰極等離子體激勵方式，提供一種低成本生長高品質納米金剛石膜的方法，可以制備出表面晶粒度為10～100nm，高品質的納米金剛石膜。

本發明的低成本生長高品質納米金剛石膜的方法以氫氣、氬氣、含碳氣體為前驅氣體，利用熱陰極直流輝光放電激勵形成等離子體，通過控制供氣比例，實現金剛石膜形核和生長交替進行，在生長過程中控制金剛石晶粒顆粒在納米范圍內，沉積出高品質納米金剛石膜，主要包括形核、沉積納米金剛石膜、清除膜表面非金剛石相碳過程，具體步驟為：

a、采用流量200～300sccm，流量比為H₂95～90％、含碳氣體5～10％的混合氣體為反應氣體，在沉積腔壓強1.2～1.6×10⁴Pa、基底溫度700～850℃情況下，用4～6kW電源功率激勵反應氣體形成等離子體，含碳氣體和H₂分解后，在金剛石粉研磨處理后的硅襯底上，形成一層金剛石核；

b、降低含碳氣體的濃度至2～3％，在已形核的襯底上，生長一層納米金剛石膜；

c、保持氣體總流量及其他沉積參數基本不變，逐漸減小H₂比例至8～28％，同時增加惰性氣體比例至70～90％，在已生長的金剛石膜上再形成一層金剛石核；

d、保持氣體總流量及其他沉積參數基本不變，逐漸減小惰性氣體比例至0，同時增大H₂比例至97～98％，再沉積一層納米級金剛石膜；

e、重復步驟c和步驟d，直至所需要的膜厚；

f、最后，關閉含碳氣體和惰性氣體，在H等離子體中處理1～3小時，清除膜表面非金剛石相碳。

本發明形成的低成本制備納米金剛石膜的方法，具有激勵電流大、生長速度快、成膜質量高、制備成本低等特點，制備的納米金剛石膜除了具有常規金剛石優異的物理和化學性質外，還具有表面粗糙度低、摩擦系數小等優點，因而可望成為新型的工模具涂層材料、微電子及半導體材料、新型光學材料、光電子材料。特別是納米金剛石膜表面的負電子親和勢(NEA)使其成為真空微電子器件的理想冷陰極材料、具有更加獨特的場發射優勢，可得到高達130mA/cm²的穩定發射電流，可以作為理想的場發射材料。在電極上制備納米金剛石膜，其導電性與摻硼金剛石膜電極非常相近，可用來作電化學電極，應用于電分析和電化學合成領域。

附圖說明

圖1是低成本生長高品質納米金剛石膜設備結構示意圖，圖2為采用本發明方法制備的納米金剛石膜的拉曼光譜，圖3為采用本發明方法制備的納米金剛石膜表面掃描電鏡照片。

具體實施方式