專利名稱：一種高致密納米金剛石薄膜的生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料的制備技術(shù)，尤其涉及一種高致密納米金剛石薄膜的生長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
自從1955年美國通用電氣公司制得世界上第一批工業(yè)用人造金剛石小晶體以后，人造金剛石便因其高硬度，高導(dǎo)熱率，以及寬的光學(xué)透過范圍和寬的頻率響應(yīng)范圍，在電子、機(jī)械、航天、軍事、光學(xué)、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。目前在以下三個(gè)方面的應(yīng)用最為廣泛1)熱學(xué)方面隨著集成電路集成度的迅速提高，功率密度翻番增長(zhǎng)，散熱就成為很棘手的問題。基于金剛石優(yōu)異的熱學(xué)性能，可以廣泛應(yīng)用于電子元器件基板和熱沉，它能減小器件過熱問題，使器件能在高功率條件下連續(xù)使用很長(zhǎng)時(shí)間，這也使許多電子元器件能在更高頻率條件下擴(kuò)展使用；2)電學(xué)方面基于其高品質(zhì)的電學(xué)性能，經(jīng)過些許的硼、磷等元素的摻雜使金剛石獲得除其本身所具有的優(yōu)良性質(zhì)外另外擁有了其他半導(dǎo)體材料性質(zhì)，可以用它做出的抗輻射且耐高溫器件；3)光學(xué)方面高品質(zhì)的光學(xué)特性使金剛石薄膜廣泛應(yīng)用于紅外窗口材料、紅外保護(hù)材料和大功率激光器及探測(cè)器的窗口材料。一般情況下，金剛石膜可作為優(yōu)良的光學(xué)元件保護(hù)膜，而且還是可在惡劣環(huán)境中使用的極好的光學(xué)窗口材料。但上述應(yīng)用對(duì)金剛石薄膜的表面質(zhì)量提出了更高的要求，例如集成電路元器件所需的材料必須具有薄膜性質(zhì)，且要有高均勻性、高完整性。這就要求集成電路中使用的金剛石薄膜也必須具有這些性質(zhì)。而在光學(xué)元件中，粗糙的薄膜表面會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的散射現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件的透過性能大打折扣。所以金剛石薄膜需要減弱表面粗糙度，以減小散射現(xiàn)象。因此，減小金剛石薄膜晶粒的大小成為解決以上這些問題最為直接的方法。目前人造金剛石主要是通過化學(xué)氣相沉積的方法來獲得，中國科學(xué)院金屬研究所聞立時(shí)等人的專利，“一種高速氣相生長(zhǎng)金剛石的方法”(CN1159491)，敘述的是使用熱絲化學(xué)氣相沉積的方法快速生長(zhǎng)金剛石薄膜；他們的另一個(gè)專利，“一種大面積高速度熱絲化學(xué)氣相沉積金剛石的方法與設(shè)備”(CN1160089A)，主要講述的是，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣的方式，提高了熱絲CVD設(shè)備中鎢絲的使用壽命，并且由于反應(yīng)氣體的均勻送入，實(shí)現(xiàn)了大面積高速生長(zhǎng)金剛石薄膜。六號(hào)元素公司的G · A ·斯卡布魯克等人的專利，通過CVD制備的單晶金剛石(CN1243855C)，該專利中的到得金剛石薄膜，具有一種或多種電子特征。以上這些專利中提到生長(zhǎng)金剛石薄膜的方法，都是利用化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，以烷類或者炔類氣體作為碳源， 進(jìn)而通過化學(xué)氣相沉積的方法制備金剛石薄膜。然而這些常規(guī)化學(xué)氣相沉積方法所制得的金剛石薄膜，晶粒較大，甚至呈柱狀生長(zhǎng)，表面粗糙度過大，同時(shí)高硬度表面也給后續(xù)拋光處理帶來很大困難。因此上在很大程度上，限制了金剛石薄膜的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。也有一些人通過化學(xué)氣象沉積的方法獲得了納米金剛石薄膜，但是所用方法對(duì)沉積設(shè)備提出了很高的要求，且沉積過程中要求的反應(yīng)溫度過高，能耗過大，產(chǎn)量太低，且所制得的金剛石薄膜致密性差。
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而目前采用電化學(xué)沉積裝置電解有機(jī)溶液制備金剛石薄膜的方法，仍存在一定的不足，例如武漢化工學(xué)院，馬志斌、汪建華的專利，“制備金剛石和類金剛石薄膜的方法” (CN1410590A)，該專利中所述方法制備的金剛石薄膜，雖然粒徑可以達(dá)到納米級(jí)別，但是得到的金剛石薄膜多為類金剛石薄膜，并且含有的雜質(zhì)與缺陷比較多，因此通過這種方法所得的金剛石薄膜并不能滿足工業(yè)上的要求。另一種制備金剛石的方法是利用富碳炸藥(TNT)爆炸時(shí)產(chǎn)生的固體游離碳?xì)怏w， 經(jīng)冷卻以后制得。例如中國科學(xué)院蘭州物理化學(xué)研究所，徐康等人的專利，“炸藥爆炸法制備金剛石的方法”(CN1400042A)，“一種水下爆炸法制備納米金剛石的方法”(CN1400041A)， 這兩個(gè)專利均是以富碳炸藥(TNT)為碳源，以水作為冷卻劑和防護(hù)劑，在水中爆炸獲得納米金剛石。雖然這種方法可以制得粒徑在納米級(jí)別的金剛石，但是其成本高，且對(duì)設(shè)備的要求很嚴(yán)格，實(shí)際操作中具有一定的危險(xiǎn)性，產(chǎn)量太低，產(chǎn)物為納米金剛石顆粒，難以成膜，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。還有一種方法，是通過某些外加激勵(lì)源使得碳粉直接轉(zhuǎn)換為金剛石，例如天津大學(xué)孫景等人的專利，“激光轟擊碳粉合成納米金剛石的方法”(CN1663909A)，這種方法是將碳粉懸浮于循環(huán)液體中，然后用激光連續(xù)轟擊，使其合成為納米金剛石。然而這種方法得到納米金剛石純度太低，且產(chǎn)生物為金剛石顆粒，不能滿足工業(yè)應(yīng)用中對(duì)膜狀納米金剛石的需求。因此，尋求一種常規(guī)的，成本較低的，可操作性強(qiáng)的納米金剛石薄膜生長(zhǎng)方法迫在眉睫。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述存在的問題，提供一種沉積速率快、致密性高、成本低、易于實(shí)施的高致密納米金剛石薄膜的生長(zhǎng)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種高致密納米金剛石薄膜的生長(zhǎng)方法，采用多步生長(zhǎng)法來沉積納米金剛石薄膜，具體步驟如下
1)將硅襯底用磨料進(jìn)行研磨處理；
2)在上述研磨處理后的硅襯底上沉積金剛石；
3)對(duì)上述已沉積的金剛石薄膜表面用磨料進(jìn)行研磨處理；
4)在上述研磨處理后的金剛石薄膜表面再次沉積金剛石；
5)重復(fù)進(jìn)行步驟3)和4)，即可制得高致密納米金剛石薄膜。所述磨料為粒徑均勻的金剛石粉，金剛石粉的粒徑小于500nm。所述沉積金剛石薄膜的方法為微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)，熱絲化學(xué)氣相沉積法(HF-CVD)和直流輝光等離子體化學(xué)氣相沉積法中一種或任意兩種。所述步驟3)和4)的重復(fù)次數(shù)至少為兩次。本發(fā)明的技術(shù)分析
首先用粒徑小于500nm的金剛石粉研磨硅襯底，使硅片表面由原來的鏡面狀態(tài)改變?yōu)橛形⒑鄣臓顟B(tài)，且硅基表面殘留有金剛石粉。在處理好的硅襯底上用微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)，熱絲化學(xué)氣相沉積(HF-CVD)、直流輝光等離子體化學(xué)氣相沉積等其中一種或任意兩種技術(shù)來沉積金剛石。由于殘留在硅基表面上的金剛石粉的作用，沉積過程中自由移動(dòng)的碳原子容易在殘留的金剛石粉上成核，進(jìn)一步擴(kuò)大從而連接成薄膜。但是由于殘留在硅基表面的金剛石粉密度很小，所以在硅襯底上沉積的金剛石薄膜的粒徑很大。第一次沉積后，取出硅片，用上述金剛石粉再次研磨剛沉積的金剛石薄膜表面。此時(shí)用金剛石粉處理第一次沉積的金剛石薄膜有兩方面的作用；一是金剛石粉可以填充在金剛石晶粒邊界；二是通過研磨可以使大的晶粒分解為較小的顆粒。通過這兩個(gè)方面的作用，可以填補(bǔ)生長(zhǎng)過程中硅基上的空白部位，使得金剛石可以在晶粒間界二次生長(zhǎng)，提高了下一步生長(zhǎng)過程中金剛石的成核密度，從而減小了金剛石薄膜晶粒的大小。這樣，通過至少兩次的研磨和沉積，最終即可得到晶粒為納米級(jí)的高致密金剛石薄膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1)可以制得晶粒小于IOOnm的高致密納米金剛石薄膜；2)金剛石薄膜的晶粒范圍和致密程度可通過調(diào)節(jié)沉積方法、沉積時(shí)間和研磨-沉積重復(fù)次數(shù)來進(jìn)行控制；3)制備方法簡(jiǎn)單易行；4)用于研磨的金剛石粉容易獲取，可循環(huán)利用，成本低廉。


圖1為在硅襯底上沉積金剛石的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為在研磨處理后的金剛石薄膜表面再次沉積金剛石的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式通過以下實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。但本發(fā)明決非僅局限于實(shí)施例。實(shí)施例1
首先用粒徑在100nm-500nm的金剛石粉研磨硅襯底表面，以甲烷作為碳源氣體，用微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(MPCVD)來沉積金剛石。沉積的金剛石薄膜如圖1所示，得到的金剛石薄膜晶粒較大，密度小，致密性差。沉積1. 5小時(shí)后取出，用上述金剛石粉研磨金剛石薄膜的表面。研磨中首先會(huì)將不規(guī)則的大晶粒破壞，并在晶粒的間界遺留有金剛石粉。再次生長(zhǎng)1. 5小時(shí)，由于研磨過程中遺留金剛石粉的作用，使得金剛石可以在晶粒間界二次生長(zhǎng)，增加了金剛石薄膜的成核密度，從而減小了晶粒的大小，如圖2所示。再一次研磨時(shí)，又可再次增加金剛石成核密度，進(jìn)一步減小晶粒大小。經(jīng)過5次研磨與5次沉積，制得高致密納米金剛石薄膜。經(jīng)檢測(cè)表明制得的高致密納米金剛石薄膜的晶粒為lOOnm。實(shí)施例2
首先用粒徑在Inm-IOOnm的金剛石粉研磨硅襯底表面，并用微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，以甲烷作為碳源氣體，沉積金剛石薄膜。沉積1. 5小時(shí)后取出，用上述金剛石粉研磨金剛石薄膜的表面。完畢后，再次沉積1.5小時(shí)。然后再一次研磨。經(jīng)過5次研磨與5 次沉積，制得高致密納米金剛石薄膜。經(jīng)檢測(cè)表明制得的高致密納米金剛石薄膜的晶粒為 50nmo實(shí)施例3:
首先用粒徑在Inm-IOOnm的金剛石粉研磨硅襯底表面，并用微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，以甲烷作為碳源氣體，沉積金剛石薄膜。沉積1. 5小時(shí)后取出，用上述金剛石粉研磨金剛石薄膜的表面。經(jīng)再次沉積1. 5小時(shí)后，取出，再一次研磨。經(jīng)過10次研磨與10次沉積，制得高致密納米金剛石薄膜。經(jīng)檢測(cè)表明制得的高致密納米金剛石薄膜的晶粒為 20nmo實(shí)施例4
首先用粒徑在Inm-IOOnm的金剛石粉研磨硅襯底表面，并用微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，以甲烷作為碳源氣體，沉積金剛石薄膜。沉積1小時(shí)后取出，用上述金剛石粉研磨金剛石薄膜的表面。經(jīng)再次沉積1小時(shí)后，取出，再一次研磨。經(jīng)過5次研磨與5次沉積， 制得高致密納米金剛石薄膜。經(jīng)檢測(cè)表明制得的高致密納米金剛石薄膜的晶粒為20nm。實(shí)施例5
首先用粒徑在Inm-IOOnm的金剛石粉研磨硅襯底表面，并用微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，以甲烷作為碳源氣體，沉積金剛石薄膜。沉積1小時(shí)后取出，用上述金剛石粉研磨金剛石薄膜的表面。經(jīng)再次沉積1小時(shí)后，取出，再一次研磨。經(jīng)過10次研磨與10次沉積， 制得高致密納米金剛石薄膜。經(jīng)檢測(cè)表明制得的高致密納米金剛石薄膜的晶粒為lOnm。實(shí)施例6
首先用粒徑在小于5nm的金剛石粉研磨硅襯底表面，并用微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，以甲烷作為碳源氣體，沉積金剛石薄膜。沉積1小時(shí)后取出，用上述金剛石粉研磨金剛石薄膜的表面。經(jīng)再次沉積1小時(shí)后，取出，再一次研磨。經(jīng)過10次研磨與10次沉積， 制得高致密納米金剛石薄膜。經(jīng)檢測(cè)表明制得的高致密納米金剛石薄膜的晶粒為2nm。
權(quán)利要求
1.一種高致密納米金剛石薄膜的生長(zhǎng)方法，其特征在于采用多步生長(zhǎng)法來沉積納米金剛石薄膜，具體步驟如下1)將硅襯底用磨料進(jìn)行研磨處理；2)在上述研磨處理后的硅襯底上沉積金剛石；3)對(duì)上述已沉積的金剛石薄膜表面用磨料進(jìn)行研磨處理；4)在上述研磨處理后的金剛石薄膜表面再次沉積金剛石；5)重復(fù)進(jìn)行步驟3)和4)，即可制得高致密納米金剛石薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高致密納米金剛石薄膜的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述磨料為粒徑均勻的金剛石粉，金剛石粉的粒徑小于500nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高致密納米金剛石薄膜的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述沉積金剛石薄膜的方法為微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)，熱絲化學(xué)氣相沉積法(HF-CVD) 和直流輝光等離子體化學(xué)氣相沉積法中一種或任意兩種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述高致密納米金剛石薄膜的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述步驟3) 和4)的重復(fù)次數(shù)至少為兩次。
全文摘要
一種高致密納米金剛石薄膜的生長(zhǎng)方法，采用多步生長(zhǎng)法來沉積納米金剛石薄膜，具體步驟如下1)將硅襯底用磨料進(jìn)行研磨處理；2)在上述研磨處理后的硅襯底上沉積金剛石；3)對(duì)上述已沉積的金剛石薄膜表面用磨料進(jìn)行研磨處理；4)在上述研磨處理后的金剛石薄膜表面再次沉積金剛石；5)重復(fù)進(jìn)行步驟3)和4)，即可制得高致密納米金剛石薄膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1)可以制得晶粒小于100nm的高致密納米金剛石薄膜；2)金剛石薄膜的晶粒范圍和致密程度可通過調(diào)節(jié)沉積方法、沉積時(shí)間和研磨-沉積重復(fù)次數(shù)來進(jìn)行控制；3)制備方法簡(jiǎn)單易行；4)用于研磨的金剛石粉容易獲取，可循環(huán)利用，成本低廉。
文檔編號(hào)C23C16/27GK102212795SQ201110119079
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者任君, 孫大智, 張楷亮, 張濤峰, 王芳, 王莎莎 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)