[發明專利]一種利用甲醇-氬氣制備納米金剛石膜的方法

在審

• 申請號: 201911284691.1
• 申請日: 2019-12-13
• 公開（公告）號: CN111005004A
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 楊黎;杜倩;郭勝惠;馮曙光;劉秉國
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/511;C23C16/02;C23C16/52;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京匯信合知識產權代理有限公司 11335
• 代理人: 張煥響

本發明公開一種利用甲醇?氬氣制備納米金剛石膜的方法，該方法步驟為：(1)將單面拋光的P型硅片進行表面缺陷化預處理；(2)將硅基片放入微波等離子體化學氣相沉積設備的反應腔體，并調節腔體壓強；(3)通入高純氫氣并激發等離子體加熱硅片，去除表面有機物及雜質后緩慢降低氫氣流量直至關閉；(4)氬氣流經甲醇溶液擴散源后形成甲醇?氬氣混合氣體進入反應腔體；(5)調節反應工藝參數形成等離子體，開始在硅片上沉積納米金剛石膜。采用微波等離子化學氣相沉積法制備納米級金剛石膜，完全避免了易燃易爆氣體的使用，在無氫氣直接參與的條件下成功制備出納米級金剛石膜，降低了納米金剛石膜的制備成本，極大保證了制備過程中的實驗安全。

技術領域

本發明涉及一種利用甲醇和氬氣制備納米金剛石膜的方法，屬于納米級金剛石膜制備技術領域。

背景技術

金剛石中碳原子采用sp³雜化方式形成交替連接的正四面體空間結構，被公認為自然界硬度最大的材料。納米金剛石膜是由納米級金剛石顆粒通過外延生長而形成的二維材料，其物理化學性質穩定，且兼具極其優良的導熱性、紅外透過率等性能，幾乎是在極端環境下服役的唯一候選材料，在航空航天、集成電路等高新領域具有廣闊的應用前景。

化學氣相沉積法(CVD)是目前制備金剛石膜的主要方法，依據氣體的激勵源差異可分為：熱絲化學氣相沉積法、微波等離子體化學氣相沉積法、等離子體頻射化學氣相沉積法等。其中，微波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)采用微波作為激勵源，可將氣態碳源激發電離后形成集中放電的等離子球，在基片上沉積得到金剛石膜。由于MPCVD法利用無源電極放電的方式產生等離子體，且形成的等離子體功率密度大，使得制備的金剛石膜樣品具有均勻性好、金剛石相純度高等優點。因此微波等離子體化學氣相沉積法被廣泛用于高品質金剛石膜的制備。

傳統的MPCVD法制備金剛石膜通常采用高純甲烷(CH₄)作為碳源，同時利用高純氫氣(H₂)作為輔助氣體來刻蝕沉積過程中產生的石墨相，采用CH₄-H₂為基礎的混合氣體可成功制備出性能優良的金剛石膜樣品。

公開號為CN102251231A的中國專利公開一種納米金剛石薄膜的制備方法，先采用偏壓增強形核方法在襯底上沉積一層納米金剛石膜，然后在3～8kPa的氧氣氣氛中加熱到100～300℃，保溫5～60min，可去除金剛石膜表面的氫化物，從而使金剛石薄膜獲得更高更穩定的電導率，在電學領域具有較好的應用前景。所述發明專利使用的氣體為：高純甲烷、氫氣、氬氣和氧氣。

公開號為CN104561925A的中國專利公開了一種自支撐金剛石膜的制備方法，首先在硅基底表面及側面預沉積一層鈦金屬涂層，然后在鈦金屬涂層上沉積一層鉬金屬涂層，接著采用熱絲化學氣相沉積在鉬金屬涂層上沉積金剛石膜，最后使用草酸對樣品進行腐蝕后得到自支撐金剛石膜。本發明可以加快金剛石膜的形核率，縮短沉積時間，且硅片可以重復使用降低成本，更重要的是能避免氫氟酸和鹽酸腐蝕所帶來的環境問題。所述發明在沉積金剛石膜時使用的氣體為：高純甲烷、氫氣。

多年來甲烷和氫氣被人們視為金剛石膜制備過程中不可或缺的原料氣體，并在金剛石膜制備方面取得了一定進展。但是高純甲烷和氫氣不僅價格昂貴，且在金剛石膜生長動輒數十小時的制備過程中存在易燃易爆隱患，特別是在調整金剛石膜的生長速率或進行金剛石膜表面修飾時常需要采用氧氣等輔助氣體，更是進一步放大了金剛石膜制備的實驗風險。

近年來，利用甲烷在貧氫或無氫環境中制備納米或超納米金剛石膜的方法逐漸引起關注。如Xiao等發表的論文“Low temperature growth of ultrananocrystallinediamond”中，以高純甲烷、氬氣為氣源，采用微波等離子化學氣相沉積法在400～ 800℃下制備出超納米金剛石膜。由于未采用氫氣參與反應，形成的等離子對金剛石膜中的非金剛石相刻蝕能力明顯不足，因超納米金剛石膜晶粒細小存在大量晶界，造成金剛石含量相對較低。雖然本方法避免了高純氫氣的使用，但依然無法擺脫對易燃爆甲烷作為碳源的依賴。