[發明專利]化學氣相沉積制備摻硼導電金剛石薄膜方法

有效

• 申請號: 200910045950.5
• 申請日: 2009-01-22
• 公開（公告）號: CN101476113A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 孫方宏;張志明;沈荷生;郭松壽
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;上海交友鉆石涂層有限公司
• 主分類號: C23C16/22
• 分類號: C23C16/22
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及一種薄膜技術領域的制備方法，具體涉及的是一種化學氣相沉積制備摻硼導電金剛石薄膜方法。

背景技術

金剛石薄膜，因具有優異的化學穩定性，寬的電化學勢窗等特點，是用作電化學或污水處理中陽極的理想材料。在化學氣相沉積法(Chemical?VaporDeposition，簡稱CVD法)生長金剛石薄膜過程中，摻硼和生長金剛石是同時進行的，反應氣體包含氫氣、碳源(甲烷或丙酮)、硼源(硼烷或硼酸、三氧化二硼等)，其中氫氣占95％～99％(體積比)，碳源占1～5％，硼源則很少，其硼碳原子比(B/C)約為0.1％～1％，硼的含量雖然很少，但對金剛石薄膜的導電性和金剛石結構的完整性卻很敏感，需要精確的控制。

經對現有技術的文獻檢索發現，用CVD法制備p型導電金剛石薄膜的過程中，一般采用三種方法向反應室輸入硼源：(1)劉衛平等在《無機材料學報》2005年第5期1270頁發表的“硼摻雜對金剛石薄膜生長特性的影響”，采用硼烷氣體氫氣稀釋，按既定的比例與氫氣、甲烷等氣體混合輸入反應室中；(2)廖克俊等在《物理學報》1996年第10期1771頁發表的“熱燈絲CVD金剛石膜硼摻雜效應研究”，以丙酮為碳源，將硼酸三甲酯液體按預定的B/C比溶解于丙酮液體中，根據反應室壓力測量來確定碳源(丙酮)與氫氣的流量比例，并進行調節；(3)楊小倩等在《機械工程材料》2002年第1期16頁發表的“CVD金剛石薄膜的摻硼研究”，在需要沉積金剛石的襯底(樣品)周圍，放置一些固體硼源(B₂O₃或H₃BO₃等)，在CVD生長金剛石薄膜過程中，襯底表面可以達到850℃左右，而B₂O₃的熔點較低(約450℃)，因此會不斷地揮發出來，達到摻硼的目的。在第(1)種方法中，由于硼烷也是氣體，因此可通過質量流量計或者浮子式流量計加針型閥，都能精確地控制硼烷、甲烷和氫氣的流量和比例，從而保證得到質量好的摻硼導電金剛石薄膜。但是硼烷價格高，又是毒性氣體，對操作人員和環境會造成很大的危害。在第(2)中方法中，硼源為硼酸三甲酯，無毒性和污染問題，B/C比可比較精確地控制，但存在兩個嚴重的問題：(1)硼酸三甲酯蒸汽容易分解成硼酸(白色粉末狀)和甲醇，而硼酸很容易將控制流量的針型閥堵塞；(2)由于碳源(丙酮)的流量只占總流量的(1～2)％，絕大部分(98～99)％都是氫氣，由于氫氣流動性和反應室壓力的波動性，用測量反應室壓力變化來確定和調節丙酮流量是很困難的，特別是在較大容量(數十升)的反應室場合，調節一次丙酮流量，要經過十多分鐘后，反應室的壓力變化才穩定下來，反應十分緩慢，因此用此法調節丙酮流量不可能實現。在第(3)種方法中，雖然能精確控制碳源和氫氣的比例，但無法控制B/C比，因為固體硼源(B₂O₃等)的揮發與溫度關系極大，因而無法確定放置硼源處的溫度及變化，結果導致B/C比往往過高，金剛石容易石墨化，獲得的導電薄膜是金剛石、石墨和碳化硼等各種成份的混合物，薄膜質量無法控制，反應室容易受污染。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的上述不足和缺陷，提出了一種化學氣相沉積制備摻硼導電金剛石薄膜方法，不會發生硼酸三甲酯摻硼分解出硼酸，對流量計、針形閥和管道的堵塞，制成的薄膜電阻率低(10^-3Ω.·cm)，金剛石成份占絕對優勢，質量好。摻硼制備過程安全無毒，沒有硼源對大氣等污染問題。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明將硼酸三甲酯按預定的B/C比溶解于丙酮，并放置于始終保持0℃的鼓泡瓶中，以控制碳源和硼源的流量。部分氫氣流量作為載氣，用鼓泡法將液體蒸氣帶出，流量計、針形閥在鼓泡瓶前端，不會被硼源堵塞。

本發明包括如下步驟：

第一步，將流量計和針型閥放置在鼓泡瓶的前方，為了防止丙酮在誤操作時產生的倒流、對流量計和針型閥產生不良影響，在鼓泡瓶前面增設了一個保護泡。

第二步，將硼酸三甲酯按設定比例溶于丙酮中，該溶液置于密封的鼓泡瓶中。鼓泡瓶保持0℃，放置在冰水混合液中。

第三步，將H₂分成兩路，其中一路經過流量控制系統后，與丙酮蒸汽會合，直接進入反應室。另一路經過流量計、針型閥和保護瓶后，作為載氣流入鼓泡瓶的底部，鼓動丙酮溶液冒泡逸出。