CN102304696B - 一种金刚石的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金刚石制备技术领域，具体涉及一种用原子层沉积设备制备金刚石的方法。所述制备方法，具体包括如下步骤：将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；通过载气运输方式将含碳前驱体输送至所述原子层沉积设备反应腔中；通过等离子体放电，使得含碳前驱体中的碳原子在硅衬底上积累，自发形成金刚石结构。本发明利用原子层沉积设备和常见的碳源就可以在低温低压下制备出金刚石，并且可以控制金刚石的杂质含量和结构的完整性。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石制备技术领域，具体涉及一种用原子层沉积设备制备金刚石的方法。
背景技术
金刚石俗称钻石，它是石墨的一种同素异形体，它是自然界中最坚硬的物质之一。它具有超硬、耐磨、热传导快等特点。除此之外，钻石由于折射率高，在灯光下显得闪闪生辉，成为女士最爱的宝石。在工业生产上，金刚石主要用于制造钻头和磨削工具。
目前制备金刚石的方法主要有石墨的高温高压转化法和PVD、CVD方法等。高温高压法要耗费较多的能量，切制备的薄膜质量不好，PVD法通过溅射石墨靶得到金刚石，但一般得到的薄膜都是金刚石与无定形碳的混合物，该方法的好处是能有效的降低对温度的依靠性。CVD法通过燃烧、等离子体、或热丝等方法活化原材料，使得原材料分解，自行沉积来制备；该方法优势在于对温度和压强的依赖性低，源的范围广，虽然相对于高温高压转化法和PVD法制得的薄膜的杂质含量较少，但仍然含有较高的杂质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金刚石的制备方法，所述方法可以制备出具有完整结构，功能性强的金刚石材料。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种金刚石的制备方法，包括如下步骤：
将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
通过载气运输方式将含碳前驱体输送至所述原子层沉积设备反应腔中；
通过等离子体放电，使得含碳前驱体中的碳原子在硅衬底上积累，自发形成金刚石结构。
上述方案中，所述将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中的步骤之前还包括：所述硅衬底的表面经过标准液清洗。
上述方案中，所述载气为氢气。
上述方案中，所述载气的流量为20sccm-100sccm。
上述方案中，所述含碳前驱体为碳氢物质或碳氢氧物质。
上述方案中，所述碳氢物质为甲烷、乙烯或乙炔。
上述方案中，所述碳氢氧物质为甲醇或甲醛。
上述方案中，所述含碳前驱体的流量为1sccm-10sccm。
上述方案中，所述载气与所述含碳前驱体的体积比为40:1-20:1。
上述方案中，所述等离子体放电过程中，等离子体功率为20W-150W。
与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：
本发明利用原子层沉积设备和常见的碳源就可以在低温低压下制备出金刚石，并且可以控制金刚石的杂质含量和结构的完整性。
附图说明
图1 经过处理的硅片表面；
图2 在腔体中通入甲醛；
图3 等离子体放电，甲醛分子由于断键不同在衬底表面形成不同的结构；
图4 在氢等离子体的作用下，所有的结构变为碳氢键结构；
图5 在腔体中通入甲烷；
图6 通过等离子体放电在腔体表面形成甲基。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种金刚石的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤101，将经过标准液清洗的硅（111）衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；其中，标准液是指：1号液，浓硫酸:双氧水=4:1；2号液，氨水:纯净水:双氧水=1:5:1；3号液，盐酸:双氧水:纯净水=1:1:6；
步骤102，以氢气为载气，将甲醛输送到原子层沉积设备反应腔中；其中氢气的流量为20sccm-100sccm。甲醛的流量为1sccm-10sccm，氢气与甲醛的体积比为40:1-20:1；氢气在此步骤中充当载气和活化剂；
步骤103，在原子层沉积设备反应腔中进行等离子体放电，放电功率控制在20W-150W之间，一方面为了控制前躯体的分解数量，另一方面为了控制分解后碳氢原子的比例，使得甲醛中的碳原子在硅衬底上积累，形成碳氢结构。
步骤104，通入惰性气体30s，清洗腔体，然后重复步骤102-103，通过分子电离，让所有的原子重新组合，碳原子自行成键，氢原子在其中能够减少石墨结构的含量，有效提高产率。
本实施例中，步骤102中还可以使用甲醇等碳氢氧物质作为含碳前驱体。
实施例2：
本实施例提供一种金刚石的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤101，将经过标准液清洗的硅（111）衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
步骤102，以氢气为载气，将甲烷输送到原子层沉积设备反应腔中；其中氢气的流量为5sccm-50sccm。甲烷的流量为10sccm-100sccm，氢气与甲烷的体积比为40:1-20:1；氢气在此步骤中充当载气和活化剂；
步骤103，在原子层沉积设备反应腔中进行等离子体放电，放电功率控制在20W-150W之间，一方面为了控制前躯体的分解数量，另一方面为了控制分解后碳氢原子的比例，使得甲烷中的碳原子在硅衬底上积累，形成碳氢结构。
步骤104，通入惰性气体30s，清洗腔体，然后重复步骤102-103，通过分子电离，让所有的原子重新组合，碳原子自行成键，氢原子在其中能够减少石墨结构的含量，有效提高产率。
本实施例中，步骤102中还可以使用乙烯或乙炔等碳氢物质作为含碳前驱体。
本发明把合适的衬底放入到腔体中，以载气运输的方式把前躯体输送到腔体中，严格控制载气和前躯体的流量，通过等离子体放电，使得前躯体电离，之后通过载气的含量变化和等离子体功率的变化来控制薄膜的生长。最终实现碳的积累，自发形成具有完整结构的金刚石结构。
综上所述，本发明利用ALD设备和常见的碳源就能在低温低压下制备出金刚石，并且能够利用氢气含量的变化来影响金刚石结构的形成，并能通过氢气的还原性，分解生成的石墨结构，并通过等离子体电离前躯体产生的氧原子来影响反应的进行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种金刚石的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
通过氢气运输方式将含碳前驱体输送至所述原子层沉积设备反应腔中；
通过等离子体放电，使得含碳前驱体中的碳原子在硅衬底上积累，自发形成金刚石结构；
其中，所述氢气流量为5sccm～100sccm，所述含碳前驱体的流量为1sccm～100sccm，所述氢气与含碳前驱体的体积比为40∶1-20∶1，所述等离子体放电过程中，等离子体功率为20W-150W。
2.如权利要求1所述的金刚石的制备方法，其特征在于，所述将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中的步骤之前还包括：所述硅衬底的表面经过标准液清洗。
3.如权利要求1所述的金刚石的制备方法，其特征在于，所述含碳前驱体为碳氢物质或碳氢氧物质。
4.如权利要求3所述的金刚石的制备方法，其特征在于，所述碳氢物质为甲烷、乙烯或乙炔。
5.如权利要求3所述的金刚石的制备方法，其特征在于，所述碳氢氧物质为甲醇或甲醛。
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