[發明專利]多元摻雜熱絲化學氣相沉積制備金剛石薄膜的方法

有效

• 申請號: 201210085095.2
• 申請日: 2012-03-27
• 公開（公告）號: CN102586762A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 孫方宏;張文驊;張志明;郭松壽;沈荷生
• 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: C23C16/455
• 分類號: C23C16/455;C23C16/46;C23C16/30
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及一種薄膜技術領域的制備方法，具體涉及一種多元摻雜熱絲化學氣相沉積制備金剛石薄膜的方法及反應氣體輸送裝置。

背景技術

化學氣相沉積(簡稱CVD法，Chemical?Vapor?Deposition)金剛石薄膜具有各種優良的物理和化學性能，它的硬度極高，與金屬和陶瓷間的摩擦系數很小，既有優異的導熱性能，又有優良的化學穩定性。本征金剛石薄膜是良好的絕緣體，摻雜后是一種優良的半導體材料，此外，金剛石薄膜涂層的光學透過性也很好。目前，CVD金剛石技術已經得到實際應用，如工具領域的涂層模具、刀具以及耐磨器件，水處理電化學耐腐蝕陽極等。在CVD金剛石涂層模具和刀具的應用，薄膜的附著力和表面光潔度是關鍵因素。常規薄膜晶粒太大為數微米級的金剛石涂層，存在一定的內應力，導致涂層附著力下降，這種情況在刀具等外表面沉積金剛石涂層的場合尤為明顯。因為CVD法沉積金剛石薄膜時的襯底溫度很高，約850℃左右，而金剛石的熱膨脹系數較小，一般僅為襯底材料的1/3～1/4，冷卻收縮后會在涂層產生較大的內應力(在刀具等外表面涂層場合，表現為拉應力；在模具內孔涂層場合，表現為壓應力)。此外，金剛石薄膜涂層中的非金剛石成份(如石墨或非晶碳)、空洞及缺陷等，會在涂層中產生“生長應力”，這些應力對薄膜附著力都會產生負面影響。另一方面，常規薄膜涂層表面，由于金剛石的結晶習性，薄膜表面呈現高低凹凸不平，且金剛石硬度極高，研磨拋光非常困難，因而在涂層模具和耐磨器件等應用場合，研磨拋光的工作量很大。中國發明專利(ZL01113027.X)采用常規和納米金剛石涂層復合技術可以減少金剛石薄膜拋光工作量，但由于納米金剛石涂層具有較大內應力，在拋光中會出現納米涂層局部剝落的現象，在金剛石涂層刀具應用場合，薄膜表面粗糙使切削阻力增加，涂層容易剝落，刀具耐用度明顯下降，對加工精度和表面光潔度也有不利影響。另外，在薄膜微細加工領域，金剛石薄膜表面凹凸不平，導致它的光刻分辨力難以提高，也一直阻礙著金剛石薄膜在微機電系統領域的應用。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術存在的缺陷，提供一種多元摻雜熱絲化學氣相沉積制備金剛石薄膜的方法及其中采用的反應氣體輸送裝置。本發明的方法所制備的亞微米或納米級金剛石薄膜涂層既具有常規薄膜金剛石的耐磨性，又比常規金剛石薄膜有更好的附著力和表面光潔度；涂層具有低摩擦系數，容易拋光等特點，使金剛石涂層更適合于各種應用場合，如涂層模具、刀具和耐磨器件以及金剛石薄膜微細加工等。

為實現這樣的目的，關鍵技術是如何既能減少金剛石涂層應力和增強涂層附著力，又能促進二次成核和生長，促進涂層表面平坦化。本發明的技術解決方案如下：

本發明涉及一種多元摻雜熱絲化學氣相沉積制備金剛石薄膜的方法，所述方法包括將襯底材料預處理后，置于熱絲化學氣相沉積裝置的反應室內，在其表面沉積金剛石薄膜，通入所述反應室中的反應氣體包括氫氣以及碳源氣體，所述碳源氣體摻雜有以下原子組合中的一種：Si、Si和N、Si和B、Si和N以及B原子。

優選的，所述碳源氣體只摻雜Si原子時，Si/C的原子比為0.1～3∶100；

所述碳源氣體摻雜Si和N原子時，Si/C、N/C原子比均為0.1～3∶100；

所述碳源氣體摻雜Si和B原子時，Si/C、B/C的原子比均為0.1～3∶100；

所述碳源氣體摻雜Si和N以及B原子時，Si/C、N/C、B/C的原子比均為0.1～3∶100。

優選的，所述碳源為丙酮、或者為丙酮和甲醇的混合物，由氫氣通過鼓泡法將碳源的蒸汽帶出形成碳源氣體輸送至反應室。

優選的，所述碳源氣體只摻雜Si原子時，所述碳源氣體為在碳源中摻入硅化合物而得；

所述碳源氣體摻雜Si和N原子時，所述碳源氣體為在碳源中摻入硅化合物和氮化合物而得；

所述碳源氣體摻雜Si和B原子時，所述碳源氣體為在碳源中摻入硅化合物和硼化合物而得；

所述碳源氣體摻雜Si和N以及B原子時，所述碳源氣體為在碳源中摻入硅化合物、氮化合物和硼化合物而得；

所述硅化合物、氮化合物、硼化合物與碳源互溶。

優選的，所述硅化合物為四乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷或乙基三乙氧基硅烷；所述氮化合物為尿素；所述硼化合物為硼酸三甲酯。

優選的，所述襯底材料為硬質合金、硅或碳化硅陶瓷。