專利名稱：金剛石薄膜的生長裝置的制作方法
金剛石薄膜的生長裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金剛石薄膜的生長裝置，尤其涉及一種利用熱絲化學(xué)氣相沉積 法生長金剛石薄膜的生長裝置。
背景技術(shù)：
金剛石薄膜具有很高的硬度、較好的熱導(dǎo)性，耐磨損性，極佳的化學(xué)惰性，和 從遠紅外區(qū)到深紫外區(qū)完全透明等優(yōu)點。金剛石薄膜在焊接刀具、大功率激光器、半導(dǎo) 體以及X射線窗口等領(lǐng)域有著廣泛的前景。因此，實現(xiàn)金剛石薄膜的可控生長，降低金 剛石薄膜的合成成本，是將金剛石薄膜推向應(yīng)用的關(guān)鍵。在低溫、低壓下，用化學(xué)氣相沉積(CVD)法合成金剛石薄膜是一種能在襯底上 生長單晶或多晶金剛石薄膜的技術(shù)。由于化學(xué)氣相沉積法制備金剛石薄膜的技術(shù)可以應(yīng) 用于在各種機械和光學(xué)零件上沉積金剛石薄膜以及制備金剛石半導(dǎo)體器件，所以化學(xué)氣 相沉積法制備金剛石薄膜的技術(shù)在近年來受到了科技界的高度重視，并且得到了迅速和 廣泛的應(yīng)用。目前化學(xué)氣相沉積(CVD)法合成金剛石薄膜主要有三類方法熱絲輔助化學(xué)氣 相沉積法、等離子增強化學(xué)氣相沉積法以及直流放電化學(xué)氣相沉積法。在以上三種制備 金剛石薄膜的方法中，等離子增強化學(xué)氣相沉積法的功耗較大，并且生長的速度較低， 得到的金剛石薄膜的均勻性較差。直流放電輔助化學(xué)氣相沉積法的生長速度較快，然 而這種方法仍然具有生長出的金剛石薄膜的面積小、均勻性差和襯底溫度不易控制的缺 點ο由于熱絲輔助化學(xué)氣相沉積法生長金剛石薄膜具有生長裝置簡單、成本低廉、 比較容易大面積生長的優(yōu)點，因此，利用熱絲輔助化學(xué)氣相沉積法生長金剛石薄膜具有 較多的應(yīng)用。熱絲輔助化學(xué)氣相沉積法生長金剛石薄膜的裝置一般具有一個加熱室以及 與該加熱室相連的抽真空設(shè)備。該加熱室具有進氣口和出氣口。該加熱室中具有一個基 臺，基臺的上方設(shè)置有加熱絲，加熱絲通電后可以發(fā)熱。在使用時，將襯底放置于基臺 表面，在電流的作用下，加熱絲被加熱到2000攝氏度左右；從進氣口通入氫氣與碳源氣 的混合氣，碳源氣在加熱絲附近被分解后，從而在襯底表面生長出金剛石薄膜?，F(xiàn)有技術(shù)中，熱絲輔助化學(xué)氣相沉積法生長金剛石薄膜的裝置中的加熱絲一般 為金屬，如鎢、鉬等。然而，采用金屬材料的加熱絲在高溫下容易碳化而發(fā)生變形及變 脆，并且金屬在高溫下會有金屬原子蒸發(fā)出來，從而使制得的金剛石薄膜中含有雜質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，確實有必要提供一種利用熱絲輔助化學(xué)氣相沉積法生長金剛石薄膜 的裝置。一種金剛石薄膜生長裝置，其包括一反應(yīng)室，該反應(yīng)室包括一進氣口、一出 氣口； 一抽真空裝置，該抽真空裝置通過所述出氣口與所述反應(yīng)室相連，用于抽真空；一底座，該底座設(shè)置于所述反應(yīng)室內(nèi)，且與所述進氣口相對設(shè)置；一熱絲裝置、該熱絲 裝置設(shè)置于所述反應(yīng)室內(nèi)，且位于所述進氣口及所述底座之間。其中，該熱絲裝置包括 至少一個加熱絲，該加熱絲為碳納米管線，該碳納米管線包括多個碳納米管。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的金剛石薄膜的生長裝置具有如下優(yōu)點由 于該金剛石薄膜的生長裝置中的加熱絲為碳納米管線，該碳納米管線僅含有碳元素，該 加熱絲在高溫下除了碳原子不會有其他原子蒸發(fā)出來，所以，在采用該金剛石薄膜的生 長裝置生長金剛石薄膜時，不會引入其他雜質(zhì)，從而所得到的金剛石薄膜中不含其他雜 質(zhì)，純度較高。

圖1是本發(fā)明實施例的金剛石薄膜的生長裝置示意圖。圖2是本發(fā)明實施例的金剛石薄膜的生長裝置工作時的示意圖。圖3是本發(fā)明實施例的金剛石薄膜的生長裝置的熱絲裝置中非扭轉(zhuǎn)碳納米管線 的掃描電鏡照片。圖4是本發(fā)明實施例的金剛石薄膜的生長裝置的熱絲裝置中扭轉(zhuǎn)碳納米管線的 掃描電鏡照片。圖5為本發(fā)明實施例的金剛石薄膜生長裝置的熱絲裝置中碳納米管線表面的部 分碳納米管的狀態(tài)示意圖。圖6為本發(fā)明實施例的金剛石薄膜的生長裝置的基底加電壓時的工作示意圖。具體實施方式
下面將結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。請參閱圖1，本發(fā)明實施實例提供一種金剛石薄膜生長裝置10，其包括一反 應(yīng)室19，一底座199，一抽真空裝置18，一熱絲裝置195，以及一第一電極192及第二電 極194。該反應(yīng)室19包括一進氣口 191、一出氣口 193。所述抽真空裝置18通過所述出 氣口 193與所述反應(yīng)室19相連，用于對所述反應(yīng)室19抽氣。所述熱絲裝置195以及底 座199設(shè)置于所述反應(yīng)室19內(nèi)，該底座199與所述進氣口 191相對且間隔設(shè)置，所述底 座199內(nèi)設(shè)置有水冷系統(tǒng)(圖未示)。所述熱絲裝置195設(shè)置于所述進氣口 191及底座 199之間。所述第一電極192和一第二電極194設(shè)置于所述反應(yīng)室19內(nèi)，并與所述熱絲 裝置195電連接。請一并參閱圖2，該金剛石薄膜生長裝置10使用時，可以將一生長金剛石薄膜 的基底197設(shè)置于所述底座199上，該基底197與所述熱絲裝置195相對，底座199內(nèi)的 水冷系統(tǒng)(圖未示)可以控制設(shè)置于底座199上的基底197的溫度。所述第一電極192 和第二電極194將電壓加到熱絲裝置195上，通過熱絲化學(xué)氣相沉積法生長金剛石薄膜。所述反應(yīng)室19為生長金剛石薄膜的反應(yīng)空間，該反應(yīng)室19為密閉空腔，本實施 例中，反應(yīng)室19為一石英管，該石英管具有一進氣口 191以及一出氣口 193。所述進氣 口 191用于通入反應(yīng)氣體，即氫氣和碳源氣，碳源氣如乙炔。所述出氣口 193與所述抽 真空裝置18相連通。該抽真空裝置18通過該出氣口 193控制反應(yīng)室19的真空度以及氣 壓。
所述底座199為一長方臺體，該底座199設(shè)置于所述反應(yīng)室19內(nèi)，該底座199 與所述進氣口 191相對且間隔設(shè)置。該底座199內(nèi)設(shè)置有水冷系統(tǒng)(圖未示)。可以通 過該水冷系統(tǒng)控制設(shè)置于底座199上的基底197的溫度，使得該基底197的溫度在合適的 范圍內(nèi)。所述熱絲裝置195設(shè)置于反應(yīng)室19內(nèi)，且位于進氣口 191與底座199之間。該 熱絲裝置195與所述底座199之間的距離為5毫米 15毫米(mm)。當反應(yīng)氣體通過進 氣口 191進入反應(yīng)室19時，所述熱絲裝置195通過與其電連接的第一電極192和第二電 極194通入電流，發(fā)熱升溫到2000攝氏度左右。所述反應(yīng)氣體在熱絲裝置195的作用 下，氫氣分解為氫原子，激活或分解碳源氣，從而在設(shè)置于底座199的基底197上生長出 金剛石薄膜?；?97材料選用耐高溫金屬或非金屬材料，金屬材料如鎢，非金屬材料 如硅、石墨、玻璃、石英等。本實施例中的基底197材料為鎢，厚度為3毫米。所述第一電極192及第二電極194為條形棒狀電極，材料為金屬，如銅。該第 一電極191及第二電極194的一端固定于所述反應(yīng)室19，另一端與所述熱絲裝置195電連 接，利用外接電源通過該第一電極191及第二電極194給所述熱絲裝置195通電?？梢?理解，所述第一電極192及第二電極194還可以為其它導(dǎo)電材料，如石墨。所述熱絲裝置195包括至少一個加熱絲，該加熱絲為碳納米管線。該碳納米管 線包括多個首尾相連且定向排列的碳納米管，該多個碳納米管通過范德華力結(jié)合。該碳 納米管線為扭轉(zhuǎn)的碳納米管線或非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線。該熱絲裝置195包括多個加熱絲 時，該加熱絲可以串聯(lián)或并聯(lián)。在本實施例中，所述熱絲裝置195由一個扭轉(zhuǎn)的碳納米 管線構(gòu)成。請參閱圖3，所述非扭轉(zhuǎn)碳納米管線包括多個沿碳納米管線軸向方向排列的碳納 米管。具體地，該非扭轉(zhuǎn)碳納米管線包括多個碳納米管片段，該多個碳納米管片段通過 范德華力相連，每一碳納米管片段包括多個相互平行并通過范德華力緊密結(jié)合的碳納米 管。該碳納米管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該非扭轉(zhuǎn)碳納米管線的長 度不限，直徑可以為0.5納米-100微米。該非扭轉(zhuǎn)碳納米管線可以為將碳納米管膜通過 有機溶劑處理得到。具體地，將有機溶劑浸潤所述碳納米管膜的整個表面，在該有機溶 劑揮發(fā)時產(chǎn)生的表面張力的作用下，該碳納米管膜中的相互平行的多個碳納米管通過范 德華力緊密結(jié)合，從而使碳納米管膜收縮為一非扭轉(zhuǎn)碳納米管線。該有機溶劑可以為揮 發(fā)性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中采用乙醇。通過有 機溶劑處理的非扭轉(zhuǎn)碳納米管線與未經(jīng)有機溶劑處理的碳納米管膜相比，其比表面積減 小，粘性降低。所述通過有機溶劑處理獲得的非扭轉(zhuǎn)碳納米管線及其制備方法具體請參 見范守善等人于2005年12月16日申請的，于2007年6月20日公開的第CN1982209A 號大陸公開專利申請(申請人清華大學(xué)；鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司)。所述扭轉(zhuǎn)碳納米管線為采用一機械力將所述碳納米管膜兩端沿相反方向扭轉(zhuǎn)獲 得。請參閱圖4，該扭轉(zhuǎn)碳納米管線包括多個繞碳納米管線軸向螺旋排列的碳納米管。 具體地，該扭轉(zhuǎn)碳納米管線包括多個碳納米管片段，該多個碳納米管片段通過范德華力 相連，每一碳納米管片段包括多個相互平行并通過范德華力緊密結(jié)合的碳納米管。該碳 納米管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該扭轉(zhuǎn)碳納米管線長度不限，直徑 可以為0.5納米-100微米。進一步地，可采用一有機溶劑處理該扭轉(zhuǎn)碳納米管線。在該有機溶劑揮發(fā)時產(chǎn)生的表面張力的作用下，處理后的扭轉(zhuǎn)碳納米管線中相鄰的碳納米管 通過范德華力緊密結(jié)合，使該扭轉(zhuǎn)碳納米管線的比表面積減小，密度及強度增大。制備非扭轉(zhuǎn)碳納米管線及扭轉(zhuǎn)碳納米管線所用的碳納米膜可為通過采用一拉伸 工具自一碳納米管陣列直接拉取而獲得，所述碳納米管膜為透明或半透明，且所述碳納 米管膜中的多數(shù)碳納米管通過范德華力相連。所述碳納米管膜的結(jié)構(gòu)及其制備方法請參 見范守善等人于2007年2月9日申請的，于2008年8月13日公開的第CN101239712A 號大陸公開專利申請(申請人清華大學(xué)；鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司)。由于所述熱絲裝置195由至少一個碳納米管線構(gòu)成，碳納米管為絕對黑體，對 于具有黑體結(jié)構(gòu)的物體來說，其所對應(yīng)的溫度為200°C 450°C時就能發(fā)出人眼看不見的 熱輻射(紅外線)，此時的熱輻射最穩(wěn)定、效率最高，所產(chǎn)生的熱輻射熱量很大，碳納米 管線具有較高的電熱轉(zhuǎn)換效率。因此，本實施例的熱絲裝置195具有很高的熱電轉(zhuǎn)換效 率，升溫速度快。請參見圖5，圖5為所述碳納米管線表面1950的部分碳納米管1953的狀態(tài)示意 圖。所述碳納米管線表面1950的部分碳納米管1953具有遠離該碳納米管線表面1950的 一端，該遠離碳納米管線表面1950的一端與該碳納米管線的軸向方向X成一定角度，優(yōu) 選地，該遠離碳納米管線表面1950的一端指向所述底座199。請參見圖6，所述金剛石 薄膜生長裝置10在工作時，若在基底197上施加一個較低電壓，使得碳納米管絲的電位 高于基底197的電位，該碳納米管線被加熱，碳納米管線表面1950的部分碳納米管的遠 離該碳納米管線表面1950的一端將會向所述基底197發(fā)射出熱電子轟擊基底表面，從而 促進反應(yīng)氣體在基底197或基底197的近表面處分解，并增加基底表面金剛石的成核密度 和生長速率。采用本發(fā)明實施例提供的金剛石薄膜生長裝置10生長金剛石薄膜的方法包括以 下步驟首先，提供一基底197，并對該基底197進行處理。本實施例中，該基底197為一鎢片，其直徑為90毫米，厚度為3毫米。反應(yīng) 前，需要對基底197進行清潔處理。該處理方法為先用直徑為0.5微米的金剛石微粉 研磨約1小時 2小時，然后將其放入丙酮溶液中超聲波處理10分鐘 20分鐘?？梢?理解，所述基底197的材料不限于金屬，還可采用非金屬耐高溫材料制成。其次，提供一金剛石薄膜生長裝置10，請參閱圖1和圖2，該金剛石薄膜生長裝 置10包括一反應(yīng)室19，一底座199，一抽真空裝置18，一熱絲裝置195，以及一第一電 極192及第二電極194，將所述基底197放入反應(yīng)腔19內(nèi)。該反應(yīng)室19包括一進氣口 191、一出氣口 193。所述抽真空裝置18通過所述出 氣口 193與所述反應(yīng)室19相連，用于對所述反應(yīng)室19抽氣。所述熱絲裝置195以及底 座199設(shè)置于所述反應(yīng)室19內(nèi)，該底座199與所述進氣口 191相對且間隔設(shè)置，所述底 座199內(nèi)設(shè)置有水冷系統(tǒng)(圖未示)。所述熱絲裝置195設(shè)置于所述進氣口 191及底座 199之間。所述第一電極192和一第二電極194設(shè)置于所述反應(yīng)室19內(nèi)，并與所述熱絲 裝置195電連接?？梢詫⑺錾L金剛石薄膜的基底197設(shè)置于所述底座199上，該基底197與所 述熱絲裝置195相對，底座199內(nèi)的水冷系統(tǒng)(圖未示)可以控制設(shè)置于底座199上的基底197的溫度。所述第一電極192和第二電極194將電壓加到熱絲裝置195上，通過熱 絲化學(xué)氣相沉積法生長金剛石薄膜。最后，采用熱絲化學(xué)氣相沉積法于所述基底197表面生長金剛石薄膜。具體地，上述步驟通過以下方法實現(xiàn)(a)通過所述抽真空裝置18對所述反應(yīng) 室19抽真空；(b)對熱絲裝置195通電，將熱絲裝置195的溫度升高到預(yù)定溫度2200攝 氏度；(C)從反應(yīng)室19的進氣口 191通入氫氣與碳源氣的混合氣，通過水冷系統(tǒng)將基底 197的溫度控制為800攝氏度，從而在基底197的表面生長金剛石薄膜。本實施例在金剛石薄膜生長過程中通過進氣口 191持續(xù)通入氫氣以及碳源氣的 混合氣。本實施例的碳源氣優(yōu)選為甲烷，也可選用其它碳氫化合物如乙炔、乙烷、乙烯 等。混合氣中碳源氣的含量為0.1% 2%。反應(yīng)氣體通過進氣口 191通入反應(yīng)室19后， 在熱絲裝置195的周圍發(fā)生熱解反應(yīng)，在熱絲裝置195下方的基底197的表面生長出金剛 石薄膜。由于本實施例的熱絲裝置195中的加熱絲為碳納米管線，該碳納米管線僅包含 碳元素。因此在采用熱絲化學(xué)氣相沉積法生長金剛石薄膜時，該加熱絲在高溫下除了碳 原子不會有其他原子蒸發(fā)出來，所以，在采用該金剛石薄膜的生長裝置生長金剛石薄膜 時，不會引入其他雜質(zhì)，從而所得到的金剛石薄膜中不含其他雜質(zhì)，純度較高。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)明白，本實施例的金剛石薄膜的生長裝置不限于采用 兩進氣口結(jié)構(gòu)，可采用多進氣口結(jié)構(gòu)，只需確保本發(fā)明金剛石薄膜生長裝置10中的熱絲 裝置195中的加熱絲為碳納米管線即可。采用該熱化學(xué)氣相沉積方法還可以進行批量合成，S卩，可以同時在設(shè)備中裝入 大量基底并設(shè)計相關(guān)通氣裝置進行金剛石薄膜的生長，可以進一步提高產(chǎn)量?？梢岳?解，也可以采用本實施例的方法，將各種形狀的樣品放置于所述底座上，在樣品的特定 位置生長出金剛石薄膜。與現(xiàn)有的熱化學(xué)氣相沉積法合成金剛石薄膜的技術(shù)相比較，本實施例所提供的 一種金剛石薄膜的生長裝置具有如下優(yōu)點由于該金剛石薄膜的生長裝置中的加熱絲為 碳納米管線，由于碳納米管為絕對黑體，碳納米管線的加熱效率高、升溫速度快；由于 該碳納米管線僅含有碳元素，該加熱絲在高溫下除了碳原子不會有其他原子蒸發(fā)出來， 所以，在采用該金剛石薄膜的生長裝置生長金剛石薄膜時，不會引入其他雜質(zhì)，從而所 得到的金剛石薄膜中不含其他雜質(zhì)，純度較高。另一方面，所述碳納米管線表面的部分 碳納米管具有遠離該碳納米管線表面的一端，該遠離碳納米管線表面的一端指向所述底 座。所述金剛石薄膜生長裝置在工作時，若在基底上施加一個較低電壓，使得碳納米管 絲的電位高于基底的電位，碳納米管線表面的部分碳納米管的遠離該碳納米管線表面的 一端將會向所述基底發(fā)射出熱電子轟擊基底表面，從而促進反應(yīng)氣體在基底或基底的近 表面處分解，并增加基底表面金剛石的成核密度和生長速率。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當然，這些依據(jù)本發(fā) 明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種金剛石薄膜生長裝置，其包括一反應(yīng)室，該反應(yīng)室包括一進氣口、一出氣口；一抽真空裝置，該抽真空裝置通過所述出氣口與所述反應(yīng)室相連，用于對反應(yīng)室抽真空；一底座，該底座設(shè)置于所述反應(yīng)室內(nèi)，且與所述進氣口相對設(shè)置；一熱絲裝置、該熱絲裝置設(shè)置于所述反應(yīng)室內(nèi)，且位于所述進氣口及所述底座之間；其特征在于，該熱絲裝置包括至少一個加熱絲，該加熱絲為碳納米管線，該碳納米 管線包括多個碳納米管。
2.如權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜生長裝置，其特征在于，所述碳納米管線包括多個 首尾相連且定向排列的碳納米管，該多個碳納米管通過范德華力結(jié)合。
3.如權(quán)利要求2所述的金剛石薄膜生長裝置，其特征在于，所述碳納米管為多壁碳納 米管、單壁碳納米管中的一種或兩種。
4.如權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜生長裝置，其特征在于，所述碳納米管線包括多個 繞碳納米管線軸向螺旋排列的碳納米管。
5.如權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜生長裝置，其特征在于，所述碳納米管線包括多個 沿碳納米管線軸向方向排列的碳納米管。
6.如權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜生長裝置，其特征在于，所述碳納米管線的表面的 部分碳納米管的一端遠離該碳納米管線，并且與該碳納米管線的軸向方向成一定角度。
7.如權(quán)利要求6所述的金剛石薄膜生長裝置，其特征在于，所述碳納米管線表面的碳 納米管的遠離碳納米管線的一端指向所述底座。
8.如權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜生長裝置，其特征在于，所述熱絲裝置與所述底座 之間的距離為5毫米 15毫米。
9.如權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜生長裝置，其特征在于，所述熱絲裝置包括多個串 聯(lián)或并聯(lián)的加熱絲。
10.如權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜生長裝置，其特征在于，所述金剛石薄膜生長裝 置進一步包括一第一電極和一第二電極，該第一電極和第二電極設(shè)置于所述反應(yīng)室內(nèi)并 與所述熱絲裝置電連接。
全文摘要
一種金剛石薄膜生長裝置，其包括一反應(yīng)室，該反應(yīng)室包括一進氣口、一出氣口；一抽真空裝置，該抽真空裝置通過所述出氣口與所述反應(yīng)室相連，用于對反應(yīng)室抽真空；一底座，該底座設(shè)置于所述反應(yīng)室內(nèi)，且與所述進氣口相對設(shè)置；一熱絲裝置、該熱絲裝置設(shè)置于所述反應(yīng)室內(nèi)，且位于所述進氣口及所述底座之間。其中，該熱絲裝置包括至少一個加熱絲，該加熱絲為碳納米管線，該碳納米管線包括多個碳納米管。該金剛石薄膜生長裝置中的加熱絲為碳納米管線，在生長金剛石薄膜時未引入其他元素，可以得到純度較高的金剛石薄膜。
文檔編號C23C16/44GK102011101SQ20091019015
公開日2011年4月13日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月4日
發(fā)明者姜開利, 楊遠超, 范守善 申請人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司