專利名稱：一種熱絲法生長金剛石的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)汽相沉積技術(shù)，特別是涉及采用熱絲方法氣相沉積金剛石薄膜的方法。
化學(xué)氣相生長金剛石膜是將氫氣、甲烷(或含碳有機(jī)氣體、液體)通過高溫分解，在基材上通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)而達(dá)到生長金剛石膜的目的。其中原子氫在其中起了決定性的作用。目前已有氣相生長金剛石膜的方法，如熱絲法、微波等離子體法、等離子體射流、O2-C2H2焰等，較有應(yīng)用價值的沉積方法集中在熱絲法、微波法以及等離子體射流法上。由于熱絲法在增加熱絲的靈活性及工藝、設(shè)備簡單的優(yōu)點，在大面積沉積金剛石膜上有著很大的優(yōu)勢，但缺點是金剛石生長的速度慢，膜純度獨不高等。微波等離子體由于微波源的限制，較難在很大面積上生長金剛石膜，最大面積φ100mm，生長速度與熱絲法差不多，優(yōu)點是金剛石膜的純度高。等離子體射流法生長速度快，可達(dá)n＋－n百μm/h，但面積較難提高(目前有很多人致力于此項研究)，耗氣、電均很大，且噴槍不能長時間連續(xù)工作。
熱絲法是利用高熔點的金屬或合金絲(鎢、鉬、錸等)，使其溫度在2000℃以上，分解氫氣及含碳的反應(yīng)氣體。分解的有效基元(CxHy，X，Y＝0～3)輸運到基材表面發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)來生長金剛石膜。起其中一個關(guān)鍵的反應(yīng)是原子氫對生長的石墨的腐刻，只留下穩(wěn)定的金剛石繼續(xù)生長。
目前熱絲法生長金剛石膜最快的生長速率為10μm/h左右(電子增強(qiáng)熱絲法)。采用水平排列的多絲沉積面積可達(dá)φ100mm。如文獻(xiàn)“熱絲法大面積生長金剛石膜及溫度場”《材料研究學(xué)報>。反應(yīng)氣體采用氫氣(H2)，甲烷(CH4)、(酒精C2H5OH，丙酮CH3COCH3等)，及加入少量的氧。進(jìn)一步增加沉積面積時，遇到一些困難，如大面積W絲排列時工作的穩(wěn)定性及膜生長的均勻性?，F(xiàn)在多采用W絲的水平排列，下側(cè)放置基材(基材距W絲10mm左右)，進(jìn)一步增加W絲面積時，由于氣體流動等因素的干擾(反應(yīng)后的氣體不易及時排出而干擾金剛石的進(jìn)一步生長，使得中心部分膜生長速度較慢)，膜較難均勻生長。因而單純靠增加W絲排列面積而提高金剛石膜的生長面積有一定的困難，總的說來，目前基本上采用W絲排列面積略大于沉積面積的方法。
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的缺點和不足，為了有效地利用真空室的空間，節(jié)約反應(yīng)氣體和電能，提高金剛石膜的生長效率，以生長出大面積金剛石膜，從而提供一種在真空室內(nèi)豎直懸掛鎢絲，相對鎢絲周圍懸掛沉積基片，當(dāng)加熱鎢絲時周圍產(chǎn)生均勻溫度分布，并通入含碳的有機(jī)氣體或液體做反應(yīng)氣體，經(jīng)沉積得到均勻的大面積金剛膜的熱絲法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的從有效基元的輸運機(jī)理看，經(jīng)過高溫W絲表面熱分解的原子氫，含碳先驅(qū)體(CxHy)等需從W絲輸運到基材表面有兩種輸運機(jī)制，一是對流，包括強(qiáng)迫和自由對流，二是由濃度、溫度梯度引起的熱擴(kuò)散質(zhì)量輸運。而對流對金剛石膜的生長速度及質(zhì)量均無影響。這就是說，氣體的流動方向?qū)饎偸さ纳L并無很大影響，而有效基元的輸運完全是由溫度及濃度梯度控制的。
熱絲法生長大面積金剛石膜是用鎢絲等材料做熱絲和采用單品Si鉬、鎢、SiC、AlN、SiO2、Cu等做基片，通入反應(yīng)氣體是含碳的有機(jī)氣體或液體和氫氣或者加入少量氧氣的混合氣體。真空室內(nèi)的反應(yīng)室是用鉬片、鎢片或其它耐高溫金屬及其合金做成。本發(fā)明提供的方法制做過程為取一根或多根鎢絲豎直懸掛在真空室內(nèi)的反應(yīng)室頂，鎢絲排列可以單根，也可以多根組成一個平面或四面，五面形(如

圖1-4所示)，把待沉積金剛石膜的基片相對鎢絲豎直排列在W絲四周，基片與W絲之間距離為5-15mm，當(dāng)反應(yīng)室內(nèi)壓力為20-100Torr，W絲溫度大于2000℃，基片溫度達(dá)700-1000℃，通入反應(yīng)氣體的濃度為0.2Vol％-5Vol％，通入氣體總流量為50-1000sccm，這時金剛石膜的沉積速度為0.5V～10μm/小時左右，進(jìn)行沉積生長金剛石膜沉積的時間與形成膜的厚度成正比。生長速度與通入反應(yīng)氣體種類，以及是否增加偏壓等有關(guān)。
下面結(jié)合附圖1-4及實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明圖1是熱絲法生長金剛石膜的真空室內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的一種鎢絲排列實施示意圖；圖3是本發(fā)明的第二種鎢絲排列示意圖；圖4是本發(fā)明的第三種鎢絲排列示意圖；圖1-4中的1-反應(yīng)氣體通入道，2-反應(yīng)室，3-真空室，4-鎢絲，5-基片實施例1按圖2的鎢絲與基片排列方式生長金剛石膜，取一根0.2mm×長50mm的單根鎢絲(4)做成螺旋狀，將其懸掛在鎢片反應(yīng)室(2)頂，在鎢絲四周排列4片10×40mm面積的單品Si片(5)，每片Si片距鎢絲相距10mm。當(dāng)鎢絲加熱達(dá)2000℃，反應(yīng)室(2)內(nèi)壓力為30Torr時，同時通入H2＋CH4混合氣體，其氣體通入流量為H2sccm，CH4sccm，沉積時間為5小時可在四塊基材上生長出厚5μm的均勻金剛石膜。
實施例2按圖3的鎢絲與基片的排列方式進(jìn)行熱絲法生長金剛石膜。具體過程如下用0.5×100mm的5根鎢絲(4)豎直排成一排懸掛在用鉬片做的反應(yīng)室(2)的頂上，在平行鎢絲(4)的兩側(cè)豎直放置兩片鉬的基片(5)，基片(5)的面積為長80×寬80mm，當(dāng)真空室內(nèi)真空度達(dá)30Torr和鎢絲的溫度達(dá)2200℃時，通入H2＋O2＋CH4組成的反應(yīng)氣體，氣體流量為500sccm進(jìn)行10小時沉積生長出厚15～20mm的金剛石膜。
實施例3按圖4的鎢絲與基片的排列方式進(jìn)行熱絲法生長金剛石膜。具體過程如下取φ0.8×100mm的8根鎢絲(4)分兩排平行懸掛在反應(yīng)室頂，在平行鎢絲(4)外側(cè)放置2片Si基片(5)，其反應(yīng)室(2)用Mo合金片做，當(dāng)真空室內(nèi)真空度達(dá)30Torr和鎢絲溫度達(dá)2300℃時，通入反應(yīng)氣體H2＋CH4，1000sccm，進(jìn)行5小時沉積生長出厚8mm的金剛石膜。
實施例4在圖4的基礎(chǔ)上可把鎢絲(4)豎直排列成方型，在鎢絲的四周平行放置4片基片(5)和還可在鎢絲(4)的底放置一基片(5)，其余生長條件同實施例3來生長金剛石膜。
本發(fā)明的優(yōu)越性可將沉積金剛石膜效率提高1-4倍(面積)這也相當(dāng)于在沉積面積不變的情況下生長速度提高了1-4倍，而且是在氣體流量，耗電增加較少的情況下得到的，這不僅降低了工業(yè)生產(chǎn)時設(shè)備的一次性投入費用，而且也使得生產(chǎn)成本降低，達(dá)到大量推廣的要求，同時也可在較小的設(shè)備上達(dá)到大面積生長金剛石膜的要求。
權(quán)利要求
1.一種在真空室內(nèi)用鎢絲或其它耐高溫的材料做加熱絲(4)，通以氫氣及含碳的氣體或液體做反應(yīng)介質(zhì)，在多種材料的基材(5)上氣相沉積大面積金剛石膜的方法，其特征在于用一根或多根鎢絲排列成1-5面形豎直懸掛在真空室內(nèi)的反應(yīng)室(2)頂上，基材(5)平行放置在W絲(4)周圍，當(dāng)真空度達(dá)20-100托和鎢絲(4)溫度達(dá)2000℃時通入流量為50-1000sccm的反應(yīng)介質(zhì)，沉積時間為2-n十小時。
2.按權(quán)利要求1所述的一種熱絲法生長金剛石膜的方法其特征在于所述的基材(5)是采用單品Si、鉬、鎢、Sic、AcN、Si3N4、Cu等材料做成。
3.按權(quán)利要求1所述的一種熱絲法生長金剛石膜的方法，其特征在于所述的反應(yīng)介質(zhì)是H2＋CH4、H2＋O2＋CH4、乙醇、丙酮。
4.按權(quán)利要求1所述的一種熱絲法生長金剛石膜的方法，其特征在于可以通過熱絲與基材間施加正或負(fù)偏壓，用于提高金剛石膜的形核密度及生長速率。
全文摘要
本發(fā)明屬于化學(xué)汽相沉積技術(shù)，特別是涉及采用熱絲法汽相沉積大面積金剛石膜的方法。本發(fā)明為了有效地利用真空室，節(jié)省電耗及氣體有效的生長大面積金剛石膜，從而提供一種由一根或多根W鎢絲豎直懸掛在反應(yīng)室頂，待沉積基材相對于W絲豎直懸掛在W鎢絲周圍的排列方式，通入反應(yīng)介質(zhì)，汽相沉積生長金剛石膜的方法。該方法可把沉積效率提高1-4倍減少電耗和反應(yīng)介質(zhì)，降低反應(yīng)成本。
文檔編號C30B25/00GK1123847SQ9411852
公開日1996年6月5日 申請日期1994年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月29日
發(fā)明者陳巖, 林彰達(dá) 申請人:中國科學(xué)院物理研究所