專利名稱：一種硅基納米金剛石薄膜的制備方法
技術領域：
本發明屬于薄膜電子技術領域，特別是一種硅基納米金剛石薄膜的制備方法。
背景技術：
由于金剛石具有非常優異的綜合性能，具有極高的電阻率、帶隙寬度及載流子遷移率，同時其高熱導率和極佳的化學穩定性也保證了它在惡略的環境下也能夠很好地使用。據報道，已存在將金剛石薄膜沉積于半導體芯片的表面和集成電路的基板或隔熱層，成功地散發了熱量，避免了線路運算的失靈。對金剛石薄膜的內部帶隙、缺陷和雜質水平進行控制，有可能獲得紅色、藍色和綠色的低能耗激發源，應用于電子發光器件、電場發射器或冷陰極、光電導和電子束控制開關。同時由于金剛石薄膜具有最高的硬度、熱膨脹系數小、 全波段高光學透過率、聲傳播速度快、極佳的化學穩定性等等優點，使其在機械、電子工業、 光學、聲學等領域有著廣闊的潛在應用前景。然而,天然金剛石儲量有限,價格昂貴。1982年日本無機材料研究所的Matsumoto 等人分別采用熱絲化學氣相沉積(HFCVD)和微波化學氣相沉積(MPCVD)技術，在非金剛石襯底上率先成功研制出了質量較好的金剛石薄膜，使低壓化學氣相生長金剛石膜技術取得了真正突破性的進展。目前采用化學氣相沉積(CVD)法沉積金剛石薄膜的主要方法有HFCVD、MPCVD和直流等離子噴射CVD。HFCVD具有設備價廉、操作簡單的優點，且通過增加燈絲數目可擴大生長面積，但存在生長速率較低，一般小于10 μ m/h,并且熱絲表面易積碳，生長過長中易共生石墨，大面積生長薄膜均勻性欠佳等一系列問題。MPCVD法具有沉積溫度低、放電區集中而不擴散、不存在氣體污染和電極污染、工作穩定、易于精確控制、沉積速度快、有利于核的形成等優點，但這種方法也有很大的缺點，就是設備本身造價昂貴，沉積面積很難擴大。直流等離子噴射CVD最為顯著的特點，它是目前所有制備金剛石膜方法中生長沉積速度最快的一種，平均沉積速率可達到80pm/h。不過該方法也還存在膜厚不均勻，以及由于氣體溫度過高造成的溫度控制力弱等缺點。目前還在改進和完善的階段。但直流等離子體噴射CVD裝置是金剛石膜大規模廉價生產設備的最佳選擇之一。傳統的直流等離子噴射CVD制備金剛石薄膜多是在鑰等高熔點硬質合金基臺上沉積自支撐金剛石薄膜。由于噴射火焰溫度極高，且熱量不易散發，所以很難在硅片上生長金剛石薄膜。而研究硅基金剛石薄膜具有很大的意義，特別是高質量、納米級金剛石薄膜。 相比自支撐金剛石，金剛石薄膜在半導體材料及薄膜領域有更廣泛的應用。

發明內容
本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種利用直流等離子噴射CVD制備納米級金剛石薄膜的方法，該方法制備的金剛石薄膜沒有引入明顯的雜質，而且生長速度較等離子CVD快、面積大，有利于大規模生產。本發明的技術方案
一種硅基納米金剛石薄膜的制備方法，采用直流等離子噴射CVD制備，步驟如下I)刻制圓柱體型石墨基臺，并在其上表面中心刻出圓形凹槽；2)用金剛石微粉在硅片表面產生劃傷和缺陷；3)將處理后的硅片放置在上述石墨基臺的凹槽內，將石墨基臺置于CVD設備的銅基臺上，石墨基臺與噴射口距離40mm，將反應室的壓強抽至-100以下，分別通入氫氣， 氬氣，甲烷，其中氬氣作為電離氣體、甲烷作為碳源、氫氣作為氫源，在硅片上沉積納米金剛石薄膜，沉積過程包括形核過程和生長過程，形核過程的工藝參數氣體流量分別為氫氣 6slm(標準升/分鐘)、氬1氣4slm、甲燒IOOsccm(標況暈升/分鐘)、腔壓5000Pa、弧電壓 110v、弧電流90A、基片溫度900°C、保溫時間為lOmin，然后轉入生長過程，生長過程的工藝參數氣體流量分別為氫氣6slm、lS氣2slm、甲燒60sccm、腔壓5000Pa、弧電壓110v、弧電流90A、基片溫度1000°C、保溫時間為50min ；4)將上述硅片降至常溫，先后關閉甲烷，氫氣，最后逐漸關閉氬氣，整個降溫過程持續5min,即可制得娃基納米金剛石薄膜。所述石墨基臺的直徑為60mm,高度為30mm ;圓形凹槽的直徑為50mm,深度為3mm。所述金剛石微粉的規格為O. 25μπι，硅片的直徑以放入圓形凹槽內即可。本發明的技術分析利用直流等離子噴射CVD設備在置于石墨導熱基臺凹槽內的硅片表面沉積金剛石薄膜，通過石墨基臺的高熔點及良好的導熱性，有效地降低了硅片的表面溫度，可達到金剛石生長最佳溫度條件，從而生長出了高質量納米金剛石薄膜。在金剛石薄膜沉積中，為了阻止碳化硅的形成，在形核階段適當提高碳源濃度，增加金剛石成核密度，減少碳與硅的相互作用的空隙；在生長階段適當降低碳源濃度，利于金剛石膜的快速生長，減少碳與硅的作用時間。為提高金剛石薄膜在硅片上的附著力，沉積后采用緩慢降溫的過程。本發明的優點是該制備方法將硅片置于石墨基臺的圓形凹槽內，通過對溫度場的模擬，有效地降低了硅片沉底的表面溫度，通過控制沉積參數利用直流等離子噴射CVD 制備的納米金剛石薄膜雜質少、晶像一致、無缺陷，且生長速度較微波等離子CVD快、面積大，有利于大規模生產。


圖I為該金剛石薄膜的激光掃描顯微鏡照片。圖2為該金剛石薄膜的拉曼光譜圖。
具體實施例方式實施例一種硅基納米金剛石薄膜的制備方法，采用直流等離子噴射CVD制備，步驟如下I)預制石墨基臺刻制圓柱體型石墨基臺，石墨基臺的直徑為60mm、高度為30mm, 并在其上表面中心刻出圓形凹槽，圓形凹槽的直徑為50mm、深度為3mm ；2)用金剛石微粉在硅片表面進行機械研磨以產生劃傷和缺陷，金剛石微粉的規格為O. 25 μ m，硅片的直徑以放入圓形凹槽內即可；3)將處理后的硅片放置在上述石墨基臺的凹槽內，將石墨基臺置于CVD設備的銅基臺上，石墨基臺與噴射ロ距離40mm，將反應室的壓強抽至-100以下，分別通入氫氣， 氬氣，甲烷，其中氬氣作為電離氣體、甲烷作為碳源、氫氣作為氫源，在硅片上沉積納米金剛石薄膜，沉積過程包括形核過程和生長過程，形核過程的エ藝參數氣體流量分別為氫氣 6slm(標準升/分鐘)、氬4slm、甲燒IOOsccm(標況暈升/分鐘)、腔壓5000Pa、弧電壓 110v、弧電流90A、基片溫度900°C、保溫時間為lOmin，然后轉入生長過程，生長過程的エ藝參數氣體流量分別為氫氣6slm、|J氣2slm、甲燒60sccm、腔壓5000Pa、弧電壓110v、弧電流90A、基片溫度1000°C、保溫時間為50min ；4)將上述硅片降至常溫，先后關閉甲烷，氫氣，最后逐漸關閉氬氣，整個降溫過程持續5min,即可制得娃基納米金剛石薄膜。通過激光掃描顯微鏡對制備的上述金剛石薄膜的表面形貌進行觀察，圖I為金剛石薄膜的激光掃描顯微鏡照片，由圖可以看出較好的金剛石結構，晶粒大小相對均勻，晶體取向以{100}為主。圖2為該金剛石薄膜的拉曼光譜圖，使用拉曼光譜來鑒別金剛石薄膜的純度，圖中表明在1332CHT1處出現ー個非常明顯的sp3鍵碳的特征峰(a)，與金剛石相的拉曼峰相吻合，在1556CHT1處出現一個很小的sp2鍵碳的特征峰(b),為非金剛石相的拉曼峰。比較兩個特征峰，可見金剛石相的譜峰強度遠遠大于非金剛石相的譜峰強度，表明了 sp2非金剛石相含量很少，金剛石膜的質量很好。
權利要求
1.一種硅基納米金剛石薄膜的制備方法，其特征在于采用直流等離子噴射CVD制備， 步驟如下1)刻制圓柱體型石墨基臺，并在其上表面中心刻出圓形凹槽；2)用金剛石微粉在娃片表面產生劃傷和缺陷；3)將處理后的硅片放置在上述石墨基臺的凹槽內，將石墨基臺置于CVD設備的銅基臺上，石墨基臺與噴射口距離40mm，將反應室的壓強抽至-100以下，分別通入氫氣，氬氣，甲烷，其中氬氣作為電離氣體、甲烷作為碳源、氫氣作為氫源，在硅片上沉積納米金剛石薄膜， 沉積過程包括形核過程和生長過程，形核過程的工藝參數氣體流量分別為氫氣6slm(標準升/分鐘)、氬1氣4slm、甲燒IOOsccm(標況暈升/分鐘)、腔壓5000Pa、弧電壓110v、弧電流90A、基片溫度900°C、保溫時間為lOmin，然后轉入生長過程，生長過程的工藝參數氣體流量分別為氫氣6slm、氬氣2slm、甲烷60sccm、腔壓5000Pa、弧電壓110v、弧電流90A、基片溫度1000°C、保溫時間為50min ；4)將上述硅片降至常溫，先后關閉甲烷，氫氣，最后逐漸關閉氬氣，整個降溫過程持續 5min,即可制得娃基納米金剛石薄膜。
2.根據權利要求I所述硅基納米金剛石薄膜的制備方法，其特征在于所述石墨基臺的直徑為60mm,高度為30mm ;圓形凹槽的直徑為50mm,深度為3mm。
3.根據權利要求I所述硅基納米金剛石薄膜的制備方法，其特征在于所述金剛石微粉的規格為O. 25μπι，硅片的直徑以放入圓形凹槽內即可。
全文摘要
一種硅基納米金剛石薄膜的制備方法，采用直流等離子噴射CVD制備，步驟如下1)刻制圓柱體型石墨基臺，并在其上表面中心刻出圓形凹槽；2)用金剛石微粉在硅片表面產生劃傷和缺陷；3)在真空條件下通入反應氣體在硅片上沉積納米金剛石薄膜，沉積過程包括形核和生長并采用不同的工藝參數；4)緩慢降至常溫即可。本發明的優點是該制備方法將硅片置于石墨基臺的圓形凹槽內，通過對溫度場的模擬，有效地降低了硅片沉底的表面溫度，通過控制沉積參數利用直流等離子噴射CVD制備的納米金剛石薄膜雜質少、晶像一致、無缺陷，且生長速度較微波等離子CVD快、面積大，有利于大規模生產。
文檔編號C23C16/44GK102605345SQ20121006453
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月13日 優先權日2012年3月13日
發明者吳小國, 尹振超, 張聰聰, 戴偉, 曲長慶, 朱寧 申請人:天津理工大學