[發明專利]一種自支撐超薄金剛石膜的制備方法

有效

• 申請號: 202011280701.7
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112430803B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 劉金龍;朱肖華;屠菊萍;邵思武;安康;魏俊俊;李成明;陳良賢
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/02;C23C16/56;C23C16/511
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種自支撐超薄金剛石膜的制備方法，屬于金剛石自支撐膜生長技術領域。工藝步驟為：a.以拋光后表面粗糙度低于30nm的金剛石膜為襯底，經化學氣相沉積法在襯底表面沉積一層100?3000nm超納米金剛石薄層，引入高濃度的碳源，構筑的碳?碳鍵網絡層，有利于外延金剛石膜的形核與生長，實現高質量外延層生長；b.接著在其表面同質外延生長厚度為10?300μm多晶金剛石膜，沉積結束后，根據要求對表面進行研磨拋光；c.然后對其進行熱處理，在高溫作用下超納米金剛石在晶界處形成亂層石墨結構或非晶碳，從而形成平整穩定的石墨層；d.最后通過選擇性刻蝕石墨層將襯底與外延層分離，解決了厚度10?300μm的自支撐超薄金剛石膜的難以兼顧高質量、低表面光潔度、大尺寸的問題。

技術領域

本發明涉及一種自支撐超薄金剛石膜的制備方法，屬于金剛石自支撐膜生長技術領域。

技術背景

金剛石是集眾多優異性能于一身的材料，其硬度可達10000kg/mm²，熱導率在室溫下高達2000W/(m·K)，禁帶寬度為5.47eV，比常用的半導體Si材料的禁帶寬度高5倍左右，從紫外(﹥227nm)到遠紅外幾乎全波段透明等，其優異的力學、熱學、電學及光學性能使其在機械加工及防護、熱沉、光學窗口、半導體等行業具有廣闊的應用前景。實際上，無論是在熱學還是光學領域，對厚度小于300um的金剛石組件都有大量的需求，尤其在真空窗口方面的應用限制了其膜層厚度，比如太赫茲行波管用金剛石輸能窗片的厚度要求接近100um甚至幾十um(Diam.Relat.Mater.79(2017)173)；而對于半導體熱沉領域，為適應芯片工藝線的要求，通常要求金剛石的厚度小于300um甚至100um以下(J.Mater.Sci.Techn.34(2018)2398)；另外對于一些金剛石光學元件、鏡頭等領域，也通常要求金剛石自支撐膜厚度小于100甚至50um(CN103180241A)。然而對于厚度小于300um的金剛石膜的拋光處理極大可能導致裂紋和缺陷的產生，從而嚴重影響薄膜性能。這些無疑給低表面粗糙度自支撐超薄金剛石膜的研制帶來很大難題。通常制備自支撐金剛石薄層的方法有兩種，一種是采用常用的硅作為襯底材料外延生長，生長外延層后通過酸腐蝕硅襯底實現自支撐外延層的剝離，這種方法使得硅襯底材料浪費較大。也可在硅襯底表面沉積金屬涂層，例如在硅襯底表面沉積鈦/鉬金屬涂層可加快形核速率、縮短沉積時間，通過腐蝕金屬涂層分離硅襯底與金剛石膜，但該方法形核面通常留有SiC，質量較差，其質量難以滿足散熱與光學應用要求(CN104561925A)。另一種分離襯底與外延層的方法是在襯底表層注入離子，專利CN107400871A通過在硅襯底表層注入氫離子，在形成氫層的襯底表面沉積金剛石膜，通過電化學剝離氫層，分離硅晶圓襯底與外延膜，但離子注入過程對設備要求很高，且注入面積較小、效率低、成本很高，不能滿足工業化需求。

為了解決上述問題，本發明通過在襯底與外延層中間沉積超納米金剛石薄層，熱處理后超納米金剛石形成穩定的石墨層，通過選擇性刻蝕石墨層將襯底與外延層分離，該方法是一種制備低表面粗糙度自支撐超薄金剛石膜的有效方法。其中由于中間層與外延層屬于同質生長，晶格匹配度高，可以實現高質量外延層生長；且襯底可重復使用，從而降低了制備成本；另外通過刻蝕方法得到的剝離面粗糙度較低，可制備大尺寸超薄外延金剛石薄膜。

發明內容

本發明的關鍵技術是提出一種利用沉積超納米金剛石中間層，通過刻蝕該薄層熱處理后轉變的石墨層，得到低表面粗糙度的自支撐超薄金剛石膜。初期通過在拋光后的金剛石襯底表面沉積一層超納米金剛石薄膜，引入高濃度的碳源及增加碳的過飽和度，構筑碳-碳鍵網絡，提高外延金剛石的形核密度，然后原位同質外延生長金剛石，保證了外延層具有較高的質量。沉積結束后，可根據要求對表面進行研磨拋光，然后對其進行熱處理，在高溫作用下超納米金剛石在晶界處形成亂層石墨結構或非晶碳(sp²-sp³鍵混合結構)，從而形成以sp²鍵為主的石墨層，同時熱處理過程也緩解了金剛石膜生長過程中的生長應力，最后通過電化學刻蝕或者熱氧化等方法刻蝕石墨層剝離襯底與外延層，實現無需再拋光的低表面粗糙度的自支撐超薄金剛石膜的制備。