[發明專利]化學氣相沉積制備硅摻雜微納復合金剛石薄膜的方法

無效

• 申請號: 201410005272.0
• 申請日: 2014-01-06
• 公開（公告）號: CN103757600A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 王新昶;孫方宏;沈彬;張志明;郭松壽;張文驊
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;上海交友鉆石涂層有限公司;蘇州交鉆納米超硬薄膜有限公司
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27
• 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

本發明涉及薄膜技術領域，具體涉及一種化學氣相沉積制備硅摻雜微納復合金剛石薄膜的方法。

背景技術

化學氣相沉積(Chemical?Vapor?Deposition，CVD)金剛石涂層具有近似于天然金剛石的高硬度(9000～10000HV)、高彈性模量、低摩擦系數、良好的耐磨損性能、較低的熱膨脹系數、極高的熱導率以及良好的表面化學穩定性等優異性能，從上世紀80年代初在異質基體上成功合成金剛石涂層至今，CVD金剛石無論從生長理論、制備方法、制備質量以及性能表征，還是從后續加工技術以及應用研究方面都取得了巨大的進展，從而使其作為耐磨減摩及耐沖蝕涂層在切削刀具、拉拔模具、耐磨器件和耐流體沖蝕器件領域具有廣闊的應用前景。

CVD金剛石薄膜在機械化工領域的應用中主要承受的是摩擦磨損或沖蝕磨損，在大多數試驗或工業應用條件下，金剛石薄膜主要的失效機理是薄膜與基體之間的分離和剝落，這主要就是因為金剛石薄膜和基體材料之間的附著力不足造成的，硅摻雜技術的采用可以有效改善金剛石薄膜與襯底之間的附著性能。經對現有技術的文獻檢索發現，目前尚未有關于硅摻雜金剛石薄膜沉積技術的專利公開，中國專利“化學氣相沉積制備摻硼導電金剛石薄膜方法”(CN200910045950)提出了一種化學氣相沉積摻硼導電金剛石薄膜的方法，采用了無毒的硼酸三甲酯作為硼摻雜源，通過冰水混合物對硼酸三甲酯和丙酮的混合溶液進行恒溫，以控制碳源流量，近似實現定量摻硼，但是在0℃下混合溶液的飽和蒸汽壓仍然較高，在不通過氫氣的情況下，受下游管道壓力狀態的影響可能也會蒸發逸出，必須在下游設置隔離閥，但是固態析出的硼源仍舊可能造成隔離閥的堵塞，此外，用作恒溫冰水混合物需要頻繁更換，難以保證長期穩定工作的需求。硅摻雜方法與硼摻雜方法具有一定的共性，同樣存在上述問題。

硅摻雜金剛石薄膜制備過程中由于有較多的硅元素存在，因此會降低制備的金剛石薄膜的純度，因此硅摻雜金剛石薄膜的硬度和耐磨性相對于普通微米金剛石薄膜有所下降，在不考慮附著性能的情況下，硅摻雜金剛石薄膜的摩擦磨損率或沖蝕磨損率會大于傳統不摻雜微米金剛石薄膜。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足和缺陷，提供一種化學氣相沉積制備硅摻雜微納復合金剛石薄膜的方法，可以更加精確地控制碳源(或硅源和碳源的混合溶液)流量并實現定量摻雜，硅摻雜復合金剛石薄膜既具有優異的附著性能，又具有極高的硬度和耐磨損性能，適用于對金剛石薄膜的附著性能和耐磨損性能要求很高的各類應用場合。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

第一方面，本發明涉及一種化學氣相沉積制備硅摻雜微納復合金剛石薄膜的方法，所述方法包括：以含硅有機化合物作為硅摻雜源，采用熱絲化學氣相沉積法在襯底表面制備硅摻雜金剛石薄膜；然后原位沉積不摻雜微米金剛石薄膜，制得硅摻雜復合金剛石薄膜。所述含硅有機化合物包括正硅酸乙酯、四甲基(甲硅)烷；優選正硅酸乙酯。方法中采用的碳源為丙酮、甲醇等液體有機化合物；優選丙酮。

優選的，所述方法具體包括如下步驟：

A、恒溫條件下，硅摻雜氣路中的載流氫氣帶動硅摻雜源與碳源的混合溶液鼓泡蒸發，含混合溶液蒸汽的載流氫氣與氫氣氣路的氫氣充分混合后進入真空反應腔，采用熱絲化學氣相沉積法在襯底表面制備硅摻雜金剛石薄膜；

B、關閉硅摻雜氣路，開啟碳源氣路；恒溫條件下，碳源氣路中的載流氫氣帶動碳源鼓泡蒸發，含碳源的載流氫氣與氫氣氣路的氫氣充分混合后進入真空反應腔，采用熱絲化學氣相沉積法在步驟A制得的硅摻雜金剛石薄膜表面原位沉積不摻雜微米金剛石薄膜。

優選的，所述步驟A中的恒溫為-30～-20℃；步驟B中的恒溫為-30～-20℃。恒定溫度下混合溶液(或純碳源)的飽和蒸汽壓保持恒定，因此可以通過控制載流氫氣的流量控制混合溶液(或純碳源)的蒸發量，比較精確地控制碳源流量并實現定量摻雜。此外，步驟A的硅摻雜金剛石薄膜制備過程中將硅摻雜源與碳源混合，通過控制混合溶液中硅摻雜源和碳源的體積可以確定混合溶液及薄膜中的硅碳原子比。

優選的，所述制備硅摻雜金剛石薄膜采用的沉積參數為：氫氣流量800～1000ml/min，混合溶液/氫氣體積比1～3％，混合溶液中硅碳原子比1000～50000∶1ppm，反應壓力25～35Torr，襯底溫度800～900℃，偏壓電流1.0～4.0A；所述氫氣流量為氫氣氣路流量與硅摻雜氣路中的載流氫氣流量之和。