[發(fā)明專利]一種多能量耦合等離子體化學(xué)氣相沉積法制備金剛石的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110574739.3
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113025990B
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王濤;魏遠(yuǎn)征;張雪梅;王簫;徐念;胡常青;趙建海
• 申請（專利權(quán)）人: 上海鉑世光半導(dǎo)體科技有限公司
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/517;C23C16/52
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 32103
• 代理人: 汪青;周敏

本發(fā)明公開了一種多能量耦合等離子體化學(xué)氣相沉積法制備金剛石的方法，所述等離子體化學(xué)氣相沉積法采用熱絲、脈沖偏壓電源和旋轉(zhuǎn)磁場耦合作為復(fù)合能量源，熱絲用于激發(fā)含碳?xì)怏w產(chǎn)生初級等離子體，脈沖偏壓用于對熱絲產(chǎn)生的初級等離子體施加電場，使初級等離子體在電場的耦合作用下拉伸并形成覆蓋區(qū)域更廣的二級等離子體，旋轉(zhuǎn)磁場作用于金剛石沉積基片的表面區(qū)域，將所述二級等離子體中的粒子能量進(jìn)一步均化耦合，并提高等離子體中能夠形成SP³的碳結(jié)構(gòu)的粒子比例。本發(fā)明方法不僅能夠穩(wěn)定獲得高質(zhì)量的金剛石，而且對于沉積條件及工藝參數(shù)的控制要求相對較低，方法易于控制，調(diào)控寬容度高、適用面廣，特別適于金剛石的工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超硬材料的制備領(lǐng)域，具體涉及一種多能量耦合等離子體化學(xué)氣相沉積法制備金剛石的方法。

背景技術(shù)

金剛石有很多制備方法，如熱絲等離子、微波等離子、電弧等離子化學(xué)品氣相沉積等。隨著工業(yè)化的進(jìn)行，人們發(fā)現(xiàn)使用中有部分問題，如熱絲法成本便宜，但金剛石的質(zhì)量不高，微波法質(zhì)量高，但設(shè)備復(fù)雜，放大生產(chǎn)，降低成本較難；電弧炬法可以生產(chǎn)高質(zhì)量單晶光學(xué)級金剛石，但是金剛石內(nèi)應(yīng)力較大，成本較高，成品率不足80%。

為了利用熱絲成本低的優(yōu)勢，發(fā)明人在CN112030133A中提出了利用磁共振、熱絲、直流耦合或者利用磁共振、熱絲、高頻耦合來制備高質(zhì)量的金剛石，其雖然能夠提高金剛石的沉積速度，但是，由于其利用磁共振，因此對反應(yīng)氣體的組分及比例，沉積氣壓（即真空度）、沉積溫度等工藝參數(shù)的要求較為苛刻，若條件控制不佳，則無法實現(xiàn)共振，從而將導(dǎo)致能量無法耦合，那么沉積速度、金剛石的質(zhì)量等將大幅下降。因此，該專利雖然在各項參數(shù)嚴(yán)格控制的情況下，具有好的效果，但由于參數(shù)控制嚴(yán)苛，容易出現(xiàn)參數(shù)波動導(dǎo)致能量無法耦合的情況，從而整體上存在失敗率高，不適合工業(yè)化生產(chǎn)的問題。另外，該專利方法制備的金剛石在厚度上的均一性仍有待提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種改進(jìn)的金剛石的制備方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種多能量耦合等離子體化學(xué)氣相沉積法制備金剛石的方法，所述等離子體化學(xué)氣相沉積法采用熱絲、脈沖偏壓電源和旋轉(zhuǎn)磁場耦合作為復(fù)合能量源，并且其中所述熱絲用于激發(fā)含碳?xì)怏w產(chǎn)生初級等離子體，所述脈沖偏壓用于對熱絲產(chǎn)生的初級等離子體施加電場，使初級等離子體在電場的耦合作用下拉伸并形成覆蓋區(qū)域更廣的二級等離子體，所述的旋轉(zhuǎn)磁場作用于金剛石沉積基片的表面區(qū)域，將所述二級等離子體中的粒子能量進(jìn)一步均化耦合，并提高等離子體中能夠形成SP³的碳結(jié)構(gòu)的粒子比例。

優(yōu)選地，通過調(diào)節(jié)所述旋轉(zhuǎn)磁場的磁場強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)角速度使經(jīng)旋轉(zhuǎn)磁場耦合后的等離子體中的能夠形成SP³的碳結(jié)構(gòu)的粒子比例相比二級等離子體提高1倍至10000倍，從而能夠很好的提高生產(chǎn)效率，提高能源利用率；進(jìn)一步優(yōu)選為2倍至5000倍；更進(jìn)一步為3倍至3000倍。

優(yōu)選地，進(jìn)行金剛石沉積時，所述熱絲電源功率設(shè)置為0.05~18kW；所述脈沖偏壓電源的占空比設(shè)置為10~90%，頻率設(shè)置為1~200kHz，偏壓設(shè)置為1~1000V，功率設(shè)置為0.05~10kW；所述旋轉(zhuǎn)磁場的磁場強(qiáng)度設(shè)置為1.3×10⁴~5.6×10⁷A/m，旋轉(zhuǎn)角速度設(shè)置為0.1~720度/s。

根據(jù)一些優(yōu)選實施方式，進(jìn)行金剛石沉積時，所述熱絲電源功率設(shè)置為0.05~10kW，所述脈沖偏壓電源的功率設(shè)置為0.05~5kW，所述旋轉(zhuǎn)磁場的磁場強(qiáng)度設(shè)置為1.3×10⁴~5.6×10⁷A/m。

進(jìn)一步地，所述脈沖偏壓電源的偏壓設(shè)置為500~1000V。

進(jìn)一步地，所述脈沖偏壓電源的占空比設(shè)置為50~90%，頻率設(shè)置為100~200kHz；所述磁場的旋轉(zhuǎn)角速度設(shè)置為0.1~360度/s。