CN102011101B - 金刚石薄膜的生长装置 - Google Patents

Abstract

一种金刚石薄膜的生长装置，其包括：一反应室，该反应室包括一进气口、一出气口；一抽真空装置，该抽真空装置通过所述出气口与所述反应室相连，用于对反应室抽真空；一底座，该底座设置于所述反应室内，且与所述进气口相对设置；一热丝装置、该热丝装置设置于所述反应室内，且位于所述进气口及所述底座之间。其中，该热丝装置包括至少一个加热丝，该加热丝为碳纳米管线，该碳纳米管线包括多个碳纳米管。该金刚石薄膜生长装置中的加热丝为碳纳米管线，在生长金刚石薄膜时未引入其他元素，可以得到纯度较高的金刚石薄膜。

Description

金刚石薄膜的生长装置

【技术领域】

本发明涉及一种金刚石薄膜的生长装置，尤其涉及一种利用热丝化学气相沉积法生长金刚石薄膜的生长装置。

【背景技术】

金刚石薄膜具有很高的硬度、较好的热导性，耐磨损性，极佳的化学惰性，和从远红外区到深紫外区完全透明等优点。金刚石薄膜在焊接刀具、大功率激光器、半导体以及X射线窗口等领域有着广泛的前景。因此，实现金刚石薄膜的可控生长，降低金刚石薄膜的合成成本，是将金刚石薄膜推向应用的关键。

在低温、低压下，用化学气相沉积(CVD)法合成金刚石薄膜是一种能在衬底上生长单晶或多晶金刚石薄膜的技术。由于化学气相沉积法制备金刚石薄膜的技术可以应用于在各种机械和光学零件上沉积金刚石薄膜以及制备金刚石半导体器件，所以化学气相沉积法制备金刚石薄膜的技术在近年来受到了科技界的高度重视，并且得到了迅速和广泛的应用。

目前化学气相沉积(CVD)法合成金刚石薄膜主要有三类方法：热丝辅助化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法以及直流放电化学气相沉积法。在以上三种制备金刚石薄膜的方法中，等离子增强化学气相沉积法的功耗较大，并且生长的速度较低，得到的金刚石薄膜的均匀性较差。直流放电辅助化学气相沉积法的生长速度较快，然而这种方法仍然具有生长出的金刚石薄膜的面积小、均匀性差和衬底温度不易控制的缺点。

由于热丝辅助化学气相沉积法生长金刚石薄膜具有生长装置简单、成本低廉、比较容易大面积生长的优点，因此，利用热丝辅助化学气相沉积法生长金刚石薄膜具有较多的应用。热丝辅助化学气相沉积法生长金刚石薄膜的装置一般具有一个加热室以及与该加热室相连的抽真空设备。该加热室具有进气口和出气口。该加热室中具有一个基台，基台的上方设置有加热丝，加热丝通电后可以发热。在使用时，将衬底放置于基台表面，在电流的作用下，加热丝被加热到2000摄氏度左右；从进气口通入氢气与碳源气的混合气，碳源气在加热丝附近被分解后，从而在衬底表面生长出金刚石薄膜。

现有技术中，热丝辅助化学气相沉积法生长金刚石薄膜的装置中的加热丝一般为金属，如钨、钼等。然而，采用金属材料的加热丝在高温下容易碳化而发生变形及变脆，并且金属在高温下会有金属原子蒸发出来，从而使制得的金刚石薄膜中含有杂质。

【发明内容】

有鉴于此，确实有必要提供一种利用热丝辅助化学气相沉积法生长金刚石薄膜的装置。

一种金刚石薄膜生长装置，其包括：一反应室，该反应室包括一进气口、一出气口；一抽真空装置，该抽真空装置通过所述出气口与所述反应室相连，用于抽真空；一底座，该底座设置于所述反应室内，且与所述进气口相对设置；一热丝装置、该热丝装置设置于所述反应室内，且位于所述进气口及所述底座之间。其中，该热丝装置包括至少一个加热丝，该加热丝为碳纳米管线，该碳纳米管线包括多个碳纳米管。

与现有技术相比较，本发明所提供的金刚石薄膜的生长装置具有如下优点：由于该金刚石薄膜的生长装置中的加热丝为碳纳米管线，该碳纳米管线仅含有碳元素，该加热丝在高温下除了碳原子不会有其他原子蒸发出来，所以，在采用该金刚石薄膜的生长装置生长金刚石薄膜时，不会引入其他杂质，从而所得到的金刚石薄膜中不含其他杂质，纯度较高。

【附图说明】

图1是本发明实施例的金刚石薄膜的生长装置示意图。

图2是本发明实施例的金刚石薄膜的生长装置工作时的示意图。

图3是本发明实施例的金刚石薄膜的生长装置的热丝装置中非扭转碳纳米管线的扫描电镜照片。

图4是本发明实施例的金刚石薄膜的生长装置的热丝装置中扭转碳纳米管线的扫描电镜照片。

图5为本发明实施例的金刚石薄膜生长装置的热丝装置中碳纳米管线表面的部分碳纳米管的状态示意图。

图6为本发明实施例的金刚石薄膜的生长装置的基底加电压时的工作示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

请参阅图1，本发明实施实例提供一种金刚石薄膜生长装置10，其包括：一反应室19，一底座199，一抽真空装置18，一热丝装置195，以及一第一电极192及第二电极194。该反应室19包括一进气口191、一出气口193。所述抽真空装置18通过所述出气口193与所述反应室19相连，用于对所述反应室19抽气。所述热丝装置195以及底座199设置于所述反应室19内，该底座199与所述进气口191相对且间隔设置，所述底座199内设置有水冷系统(图未示)。所述热丝装置195设置于所述进气口191及底座199之间。所述第一电极192和一第二电极194设置于所述反应室19内，并与所述热丝装置195电连接。

请一并参阅图2，该金刚石薄膜生长装置10使用时，可以将一生长金刚石薄膜的基底197设置于所述底座199上，该基底197与所述热丝装置195相对，底座199内的水冷系统(图未示)可以控制设置于底座199上的基底197的温度。所述第一电极192和第二电极194将电压加到热丝装置195上，通过热丝化学气相沉积法生长金刚石薄膜。

所述反应室19为生长金刚石薄膜的反应空间，该反应室19为密闭空腔，本实施例中，反应室19为一石英管，该石英管具有一进气口191以及一出气口193。所述进气口191用于通入反应气体，即氢气和碳源气，碳源气如乙炔。所述出气口193与所述抽真空装置18相连通。该抽真空装置18通过该出气口193控制反应室19的真空度以及气压。

所述底座199为一长方台体，该底座199设置于所述反应室19内，该底座199与所述进气口191相对且间隔设置。该底座199内设置有水冷系统(图未示)。可以通过该水冷系统控制设置于底座199上的基底197的温度，使得该基底197的温度在合适的范围内。

所述热丝装置195设置于反应室19内，且位于进气口191与底座199之间。该热丝装置195与所述底座199之间的距离为5毫米～15毫米(mm)。当反应气体通过进气口191进入反应室19时，所述热丝装置195通过与其电连接的第一电极192和第二电极194通入电流，发热升温到2000摄氏度左右。所述反应气体在热丝装置195的作用下，氢气分解为氢原子，激活或分解碳源气，从而在设置于底座199的基底197上生长出金刚石薄膜。基底197材料选用耐高温金属或非金属材料，金属材料如钨，非金属材料如硅、石墨、玻璃、石英等。本实施例中的基底197材料为钨，厚度为3毫米。

所述第一电极192及第二电极194为条形棒状电极，材料为金属，如铜。该第一电极191及第二电极194的一端固定于所述反应室19，另一端与所述热丝装置195电连接，利用外接电源通过该第一电极191及第二电极194给所述热丝装置195通电。可以理解，所述第一电极192及第二电极194还可以为其它导电材料，如石墨。

所述热丝装置195包括至少一个加热丝，该加热丝为碳纳米管线。该碳纳米管线包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管，该多个碳纳米管通过范德华力结合。该碳纳米管线为扭转的碳纳米管线或非扭转的碳纳米管线。该热丝装置195包括多个加热丝时，该加热丝可以串联或并联。在本实施例中，所述热丝装置195由一个扭转的碳纳米管线构成。

请参阅图3，所述非扭转碳纳米管线包括多个沿碳纳米管线轴向方向排列的碳纳米管。具体地，该非扭转碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转碳纳米管线的长度不限，直径可以为0.5纳米-100微米。该非扭转碳纳米管线可以为将碳纳米管膜通过有机溶剂处理得到。具体地，将有机溶剂浸润所述碳纳米管膜的整个表面，在该有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，该碳纳米管膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管膜收缩为一非扭转碳纳米管线。该有机溶剂可以为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，其比表面积减小，粘性降低。所述通过有机溶剂处理获得的非扭转碳纳米管线及其制备方法具体请参见范守善等人于2005年12月16日申请的，于2007年6月20日公开的第CN1982209A号大陆公开专利申请(申请人：清华大学；鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。

所述扭转碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管膜两端沿相反方向扭转获得。请参阅图4，该扭转碳纳米管线包括多个绕碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管。具体地，该扭转碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该扭转碳纳米管线长度不限，直径可以为0.5纳米-100微米。进一步地，可采用一有机溶剂处理该扭转碳纳米管线。在该有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使该扭转碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。

制备非扭转碳纳米管线及扭转碳纳米管线所用的碳纳米膜可为通过采用一拉伸工具自一碳纳米管阵列直接拉取而获得，所述碳纳米管膜为透明或半透明，且所述碳纳米管膜中的多数碳纳米管通过范德华力相连。所述碳纳米管膜的结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年8月13日公开的第CN101239712A号大陆公开专利申请(申请人：清华大学；鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。

由于所述热丝装置195由至少一个碳纳米管线构成，碳纳米管为绝对黑体，对于具有黑体结构的物体来说，其所对应的温度为200℃～450℃时就能发出人眼看不见的热辐射(红外线)，此时的热辐射最稳定、效率最高，所产生的热辐射热量很大，碳纳米管线具有较高的电热转换效率。因此，本实施例的热丝装置195具有很高的热电转换效率，升温速度快。

请参见图5，图5为所述碳纳米管线表面1950的部分碳纳米管1953的状态示意图。所述碳纳米管线表面1950的部分碳纳米管1953具有远离该碳纳米管线表面1950的一端，该远离碳纳米管线表面1950的一端与该碳纳米管线的轴向方向X成一定角度，优选地，该远离碳纳米管线表面1950的一端指向所述底座199。请参见图6，所述金刚石薄膜生长装置10在工作时，若在基底197上施加一个较低电压，使得碳纳米管丝的电位高于基底197的电位，该碳纳米管线被加热，碳纳米管线表面1950的部分碳纳米管的远离该碳纳米管线表面1950的一端将会向所述基底197发射出热电子轰击基底表面，从而促进反应气体在基底197或基底197的近表面处分解，并增加基底表面金刚石的成核密度和生长速率。

采用本发明实施例提供的金刚石薄膜生长装置10生长金刚石薄膜的方法包括以下步骤：

首先，提供一基底197，并对该基底197进行处理。

本实施例中，该基底197为一钨片，其直径为90毫米，厚度为3毫米。反应前，需要对基底197进行清洁处理。该处理方法为：先用直径为0.5微米的金刚石微粉研磨约1小时～2小时，然后将其放入丙酮溶液中超声波处理10分钟～20分钟。可以理解，所述基底197的材料不限于金属，还可采用非金属耐高温材料制成。

其次，提供一金刚石薄膜生长装置10，请参阅图1和图2，该金刚石薄膜生长装置10包括一反应室19，一底座199，一抽真空装置18，一热丝装置195，以及一第一电极192及第二电极194，将所述基底197放入反应腔19内。

该反应室19包括一进气口191、一出气口193。所述抽真空装置18通过所述出气口193与所述反应室19相连，用于对所述反应室19抽气。所述热丝装置195以及底座199设置于所述反应室19内，该底座199与所述进气口191相对且间隔设置，所述底座199内设置有水冷系统(图未示)。所述热丝装置195设置于所述进气口191及底座199之间。所述第一电极192和一第二电极194设置于所述反应室19内，并与所述热丝装置195电连接。

可以将所述生长金刚石薄膜的基底197设置于所述底座199上，该基底197与所述热丝装置195相对，底座199内的水冷系统(图未示)可以控制设置于底座199上的基底197的温度。所述第一电极192和第二电极194将电压加到热丝装置195上，通过热丝化学气相沉积法生长金刚石薄膜。

最后，采用热丝化学气相沉积法于所述基底197表面生长金刚石薄膜。

具体地，上述步骤通过以下方法实现：(a)通过所述抽真空装置18对所述反应室19抽真空；(b)对热丝装置195通电，将热丝装置195的温度升高到预定温度2200摄氏度；(c)从反应室19的进气口191通入氢气与碳源气的混合气，通过水冷系统将基底197的温度控制为800摄氏度，从而在基底197的表面生长金刚石薄膜。

本实施例在金刚石薄膜生长过程中通过进气口191持续通入氢气以及碳源气的混合气。本实施例的碳源气优选为甲烷，也可选用其它碳氢化合物如乙炔、乙烷、乙烯等。混合气中碳源气的含量为0.1％～2％。反应气体通过进气口191通入反应室19后，在热丝装置195的周围发生热解反应，在热丝装置195下方的基底197的表面生长出金刚石薄膜。由于本实施例的热丝装置195中的加热丝为碳纳米管线，该碳纳米管线仅包含碳元素。因此在采用热丝化学气相沉积法生长金刚石薄膜时，该加热丝在高温下除了碳原子不会有其他原子蒸发出来，所以，在采用该金刚石薄膜的生长装置生长金刚石薄膜时，不会引入其他杂质，从而所得到的金刚石薄膜中不含其他杂质，纯度较高。

本技术领域的技术人员应明白，本实施例的金刚石薄膜的生长装置不限于采用两进气口结构，可采用多进气口结构，只需确保本发明金刚石薄膜生长装置10中的热丝装置195中的加热丝为碳纳米管线即可。

采用该热化学气相沉积方法还可以进行批量合成，即，可以同时在设备中装入大量基底并设计相关通气装置进行金刚石薄膜的生长，可以进一步提高产量。可以理解，也可以采用本实施例的方法，将各种形状的样品放置于所述底座上，在样品的特定位置生长出金刚石薄膜。

与现有的热化学气相沉积法合成金刚石薄膜的技术相比较，本实施例所提供的一种金刚石薄膜的生长装置具有如下优点：由于该金刚石薄膜的生长装置中的加热丝为碳纳米管线，由于碳纳米管为绝对黑体，碳纳米管线的加热效率高、升温速度快；由于该碳纳米管线仅含有碳元素，该加热丝在高温下除了碳原子不会有其他原子蒸发出来，所以，在采用该金刚石薄膜的生长装置生长金刚石薄膜时，不会引入其他杂质，从而所得到的金刚石薄膜中不含其他杂质，纯度较高。另一方面，所述碳纳米管线表面的部分碳纳米管具有远离该碳纳米管线表面的一端，该远离碳纳米管线表面的一端指向所述底座。所述金刚石薄膜生长装置在工作时，若在基底上施加一个较低电压，使得碳纳米管丝的电位高于基底的电位，碳纳米管线表面的部分碳纳米管的远离该碳纳米管线表面的一端将会向所述基底发射出热电子轰击基底表面，从而促进反应气体在基底或基底的近表面处分解，并增加基底表面金刚石的成核密度和生长速率。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种金刚石薄膜生长装置，其包括：

一反应室，该反应室包括一进气口、一出气口；

一抽真空装置，该抽真空装置通过所述出气口与所述反应室相连，用于对反应室抽真空；

一底座，该底座设置于所述反应室内，且与所述进气口相对设置；

一热丝装置、该热丝装置设置于所述反应室内，且位于所述进气口及所述底座之间；

其特征在于，该热丝装置包括至少一个加热丝，该加热丝为碳纳米管线，该碳纳米管线包括多个碳纳米管，所述碳纳米管线表面的部分碳纳米管具有远离该碳纳米管线表面的一端，并且与该碳纳米管线的轴向方向成一定角度，所述碳纳米管线表面的碳纳米管的远离碳纳米管线的一端指向所述底座。

2.如权利要求1所述的金刚石薄膜生长装置，其特征在于，所述碳纳米管线包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管，该多个碳纳米管通过范德华力结合。

3.如权利要求2所述的金刚石薄膜生长装置，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管中的一种或两种。

4.如权利要求1所述的金刚石薄膜生长装置，其特征在于，所述碳纳米管线包括多个绕碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管。

5.如权利要求1所述的金刚石薄膜生长装置，其特征在于，所述碳纳米管线包括多个沿碳纳米管线轴向方向排列的碳纳米管。

6.如权利要求1所述的金刚石薄膜生长装置，其特征在于，所述热丝装置与所述底座之间的距离为5毫米～15毫米。

7.如权利要求1所述的金刚石薄膜生长装置，其特征在于，所述热丝装置包括多个串联或并联的加热丝。

8.如权利要求1所述的金刚石薄膜生长装置，其特征在于，所述金刚石薄膜生长装置进一步包括一第一电极和一第二电极，该第一电极和第二电极设置于所述反应室内并与所述热丝装置电连接。

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