CN105506575A - 一种低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造设备和方法。该制造方法包括：向基片施加负偏压的条件下进行形核处理，形核密度≥1010/cm2；继续在所述负偏压的条件下，在所述基片上生长金刚石薄膜。在400～500℃低温的条件下获取的纳米/超纳米金刚石薄膜的质量提高。

Description

一种低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造设备和方法
技术领域
本发明涉及电子材料技术领域，尤其涉及一种低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造设备和方法。
背景技术
金刚石是已知材料中最优异的介质材料，具有低介电常数、低微波损耗、高硬度、高导热率等特性，是微波真空器件，微机电系统器件和固态电子器件中最理想的介质材料。人工合成金刚石的工艺中，微波等离子体法MPCVD合成金刚石的质量最高。其中，纳米晶和超纳米晶金刚石具有断裂强度较高、致密性好，以及表面粗超度低的特点，适合制成薄膜材料，广泛应用于传感器、微/纳机电系统，以及固态电子器件的封装和散热等领域。然而，纳米晶和超纳米晶金刚石，通常的生长温度在700℃以上，甚至高于800℃。这对于人工合成的技术手段和技术设备来说，使用的基片或者制作中的器件/部件是无法承受的，因此金刚石膜，主要是纳米晶和超纳米晶金刚石薄膜的生长温度最好降到400～500℃。但是，随着生长温度的降低，金刚石薄膜的质量也必然下降。因此，需要一种低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造设备和方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
发明内容
本发明提供一种低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造设备和方法，在400～500℃低温的条件下获取的纳米/超纳米金刚石薄膜的质量提高。
本发明采用的技术方案是：一种低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造方法，其包括：向基片施加负偏压的条件下进行形核处理，形核密度≥1010/cm2；继续在所述负偏压的条件下，在所述基片上生长金刚石薄膜。
优选地，所述负偏压为-100～-350V。
优选地，通过向处于悬浮电位的基片台施加负电位，以向所述基片施加负偏压。
优选地，所述在所述基片上生长金刚石薄膜，具体包括：向反应室内导入反应气体，并且所述反应气体的气压为3～10KPa；保持所述基片的温度在400℃～500℃；利用微波等离子体的离子轰击所述基片的表面，所述微波等离子体设备的微波功率为0.5～1kw。
优选地，所述金刚石薄膜为纳米晶金刚石薄膜，所述反应气体为甲烷和氢气，所述甲烷的气体的质量流量为1sccm～15sccm，所述氢气的气体质量流量为99sccm～85sccm；或者，所述金刚石薄膜为超纳米金刚石薄膜，所述反应气体为甲烷、氩气和氢气，甲烷为1sccm～5sccm，氩气为98sccm～90sccm和氢气为1sccm～5sccm。
本发明还提供了一种低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造设备，其包括谐振腔、反应室、基片台和形核处理装置，其中：所述反应室置于所述谐振腔内；所述形核处理装置在形成负偏压的条件下对基片进行形核处理，形核密度≥1010/cm2；所述基片台处于所述反应室内，并处于悬浮电位，所述负偏压装置通过负偏压引线连接于所述基片台，以向所述基片台施加所述负偏压；通过所述谐振腔在所述反应室内形成所述微波等离子体，并且通过离子轰击所述基片的表面，以在所述基片上生长金刚石薄膜。
优选地，所述制造设备，还包括温度测量装置，所述温度测量装置通过热电偶实时测量所述基片的温度，并且通过调整微波功率和气压，保持所述基片的温度在400℃～500℃。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列效果：
本发明提供的低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造方法,克服了常规工艺制备的金刚石薄膜的缺点，提高金刚石薄膜的机械性能、导热性能和绝缘性能，满足mems\NEMs和固态器件等使用要求。
附图说明
图1为本发明第一实施例的低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造方法流程图；
图2为本发明第二实施例的低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造设备的示意图。
1-微波天线；2-谐振腔；3-反应室；4-微波等离子体；5-基片；6-基片台；7-负偏压引线；8-热电偶。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
本发明提供的低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造设备和方法实现低温下制造的金刚石薄膜的质量较高，下面将详细地描述本发明的低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造方法和制造设备。
第一实施例
如图1所示，本实施例的低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造方法，其包括：向基片施加负偏压的条件下进行形核处理，形核密度≥1010/cm2；继续在负偏压的条件下，在基片上生长金刚石薄膜。
向处于悬浮电位的基片台施加负偏压进行形核处理，不仅对基片的表面几乎无损伤，而且形核的密度高，有利于形成致密和光洁的金刚石薄膜，主要是厚度≤100nm的金刚石薄膜。在基片上生长金刚石薄膜的过程中，当基片上施加一定的负偏压，反应气体的气压相对较低时，等离子体中的正离子就会穿过鞘层打到基片的表面上。该正离子是带能离子，它的轰击有二个作用，一方面，为基片表面吸附的碳原子提供活化能，加快它们的扩散并到达适当的点位，最终形成金刚石相结构。这对于低温金刚石的生长至关重要，因为在400℃～500℃下，金刚石表面原子的扩散速度和扩散距离都受到极大的限制，导致较差的致密性。另一方面，该正离子的轰击有助于清除基片表面形成的sp2非金刚石相，提高金刚石的结晶性。
作为优选地，上述负偏压为-100～-350V。进一步地，通过向处于悬浮电位的基片台施加负电位，以向基片施加负偏压。
另外，在基片上生长金刚石薄膜，具体包括：向反应室内导入反应气体，并且反应气体的气压为3～10KPa；保持基片的温度在400℃～500℃；采用微波等离子体的离子轰击基片的表面，微波等离子体的微波功率为0.5～1kw。
作为优选地，金刚石薄膜为纳米晶金刚石薄膜，反应气体为甲烷和氢气，甲烷的气体体积质量流量为1sccm～15sccm，氢气的气体体积质量流量为99sccm～85sccm；或者，金刚石薄膜为超纳米金刚石薄膜，反应气体为甲烷、氩气和氢气，甲烷为1sccm～5sccm，氩气为98sccm～90sccm和氢气为1sccm～5sccm。
第二实施例
如图2所示，本实施例提供的低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造设备，包括谐振腔2、反应室3、基片台6、和形核处理装置，其中：反应室置于谐振腔内；形核处理装置在形成负偏压的条件下对基片进行形核处理，形核密度≥1010/cm2；基片台处于悬浮电位，负偏压装置通过负偏压引线连接于基片台，以向基片台施加负偏压；通过所述谐振腔在所述反应室内形成所述微波等离子体处于反应室内，(图中微波等离子体设备的微波天线设置在谐振腔的上方)，同时通过离子轰击基片的表面，以在基片上生长金刚石薄膜。本实施例基片台5位于反应室3内，处于悬浮电位在，负偏压装置通过负偏压引线7连接于基片台上，用于向基片台6施加负偏压，用于形核处理和金刚石薄膜生长的过程中基片5处于负偏压的条件下。
作为优选地，本实施例的制造设备，还包括温度测量装置，温度测量装置通过热电偶8实时测量基片的温度，并且通过调整微波功率和气压保持基片的温度在400℃～500℃。
过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (7)

1.一种低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造方法，其特征在于，包括：
向基片施加负偏压的条件下进行形核处理，形核密度≥1010/cm2；
继续在所述负偏压的条件下，在所述基片上生长金刚石薄膜。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述负偏压为-100～-350V。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，通过向处于悬浮电位的基片台施加负电位，以向所述基片施加负偏压。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在所述基片上生长金刚石薄膜，具体包括：
向反应室内导入反应气体，并且所述反应气体的气压为3～10KPa；
保持所述基片的温度在400℃～500℃；
利用微波等离子体的离子轰击所述基片的表面，所述微波等离子体设备的微波功率为0.5～1kw。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述金刚石薄膜为纳米晶金刚石薄膜，所述反应气体为甲烷和氢气，所述甲烷的气体的质量流量为1sccm～15sccm，所述氢气的气体质量流量为99sccm～85sccm；
或者，所述金刚石薄膜为超纳米金刚石薄膜，所述反应气体为甲烷、氩气和氢气，甲烷为1sccm～5sccm，氩气为98sccm～90sccm和氢气为1sccm～5sccm。
6.一种低温纳米/超纳米金刚石薄膜的制造设备，其特征在于，包括谐振腔、反应室、基片台和形核处理装置，其中：
所述反应室置于所述谐振腔内；
所述形核处理装置在形成负偏压的条件下对基片进行形核处理，形核密度≥1010/cm2；
所述基片台处于所述反应室内，并处于悬浮电位，所述负偏压装置通过负偏压引线连接于所述基片台，以向所述基片台施加所述负偏压；
通过所述谐振腔在所述反应室内形成所述微波等离子体，并且通过离子轰击所述基片的表面，以在所述基片上生长金刚石薄膜。
7.根据权利要求6所述的制造设备，其特征在于，所述制造设备，还包括温度测量装置，所述温度测量装置通过热电偶实时测量所述基片的温度，并且通过调整微波功率和气压，保持所述基片的温度在400℃～500℃。
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