CN107400876B - 一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法 - Google Patents

一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107400876B
CN107400876B CN201710639969.7A CN201710639969A CN107400876B CN 107400876 B CN107400876 B CN 107400876B CN 201710639969 A CN201710639969 A CN 201710639969A CN 107400876 B CN107400876 B CN 107400876B
Authority
CN
China
Prior art keywords
nano
silicon substrate
diamond
template
diamond membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710639969.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107400876A (zh
Inventor
马志斌
李艳春
任昱霖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan Institute of Technology
Original Assignee
Wuhan Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan Institute of Technology filed Critical Wuhan Institute of Technology
Priority to CN201710639969.7A priority Critical patent/CN107400876B/zh
Publication of CN107400876A publication Critical patent/CN107400876A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107400876B publication Critical patent/CN107400876B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C16/042—Coating on selected surface areas, e.g. using masks using masks

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明公开了一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法，包含如下步骤：首先，先后用无水乙醇和去离子水对硅衬底进行超声波清洗，然后用纳米金刚石微粉的乙醇悬浊液对硅衬底进行超声波预处理，干燥；将与纳米金刚石膜的形状、大小一致的模板放置在硅衬底表面；在未被模板覆盖的硅衬底区域镀铜膜；移除模板；放入真空腔体内，通入工作气体，利用等离子体化学气相沉积的方法，低温下在未覆盖铜膜的位置沉积纳米金刚石膜；真空冷却，去真空，利用浓硝酸和氢氟酸的混合溶液腐蚀铜膜和硅衬底得到图形化了的纳米金刚石膜。本发明可以简单、易操作的制备出表面平整光滑，机械强度高的图形化纳米金刚石膜。

Description

一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法
技术领域
本发明涉及一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法。
背景技术
金刚石具有高的硬度、高的热导率、低的热膨胀系数及优良的化学稳定性等性能，使其成为工业最具有应用价值的材料之一。近年来，化学气相沉积金刚石在硬度、热导率、弹性模量、化学稳定性等性能方面接近甚至超过天然金刚石，使其在光学器件、耐磨涂层、微机电系统等方面拥有广阔的的应用前景。微米金刚石薄膜表面粗糙度大，使用时需要先对微米金刚石薄膜表面进行抛光处理，这会引起金刚石出现缺陷和微裂纹，影响金刚石的结构稳定性。纳米金刚石薄膜拥有传统金刚石薄膜的各项优异性能。而且，纳米金刚石薄膜是由纳米级金刚石晶粒堆积而生成不同于微米金刚石薄膜的柱状生长。这种生长机制使得纳米金刚石薄膜具有很多优于微米金刚石薄膜的性能，例如表面平整光滑、摩擦系数小、比表面积大、场发射电压低等。这些优异的性能使得纳米金刚石薄膜在机械、光学、电学、声学等领域拥有广阔的应用价值和前景。
对金刚石进行精准的图形化加工从而充分发挥金刚石的各项优异性能，一直是人们研究的热点。针对传统图形化工艺的不足，人们创新性的研究出了可以替代传统工艺的新方法，主要分为两大类：选择性生长法和刻蚀法，选择性生长法不需要昂贵的等离子体设备，但在图形化金刚石时会出现精确度低，边缘模糊的缺点，刻蚀法具有较高的刻蚀速率及良好的方向性，但易对所图形化的金刚石膜造成损伤等。新的图形化方法和纳米金刚石薄膜的优异性能相结合不仅能促进纳米金刚石薄膜的优异性能的充分发挥而且可以实现纳米金刚石薄膜的多样化应用，促进微电子、微机械器件等领域的进步。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种利用铜膜图形化制备纳米金刚石膜的方法，该方法大大的简化了图形化纳米金刚石膜的制备流程，显著提高了图形化纳米金刚石膜的制备效率，便于以后的大规模工业应用。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤一、首先，先后用无水乙醇和去离子水对硅衬底进行超声波清洗，然后用纳米金刚石微粉的乙醇悬浊液对硅衬底进行超声波预处理，干燥后待用；
步骤二、制备与纳米金刚石膜的形状、大小一致的模板，把模板放置在硅衬底表面，得到试样；
步骤三、在未被模板覆盖的硅衬底区域镀铜膜；
步骤四、移除模板，得到表面未被模板覆盖的区域镀有铜膜的硅衬底；
步骤五、将步骤四得到的样品作为衬底，放入真空腔体内，通入工作气体，利用等离子体化学气相沉积的方法，低温下在未覆盖铜膜的位置沉积纳米金刚石膜；
步骤六、真空冷却，去真空，利用浓硝酸和氢氟酸的混合溶液腐蚀铜膜和硅衬底得到图形化了的纳米金刚石膜，从酸中取出图形化好的纳米金刚石膜，用去离子水超声波清洗，干燥，整个利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的工作完成。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述步骤一中，硅衬底的直径8-20mm，用无水乙醇和去离子水对硅衬底超声波清洗的时间均为10-30min，用纳米金刚石微粉的乙醇悬浊液对硅衬底的预处理时间为30-60min。
作为上述技术方案的改进，所述步骤一中，纳米金刚石微粉的乙醇悬浊液是由纳米金刚石微粉和无水乙醇按照50-100mg：100-200mL的比例混合制得。
作为上述技术方案的改进，所述步骤二中，模板的材料为钼，厚度0.2-1mm。
作为上述技术方案的改进，所述步骤三中，镀铜膜的方法选用溅射镀膜法或热蒸发镀膜法。
作为上述技术方案的改进，所述步骤三处理后，所镀铜膜的厚度5-10μm。
作为上述技术方案的改进，所述所述步骤五中，工作气体为无水乙醇/氢气/氩气或丙酮/氢气/氩气，沉积温度500-650℃。
作为上述技术方案的改进，所述步骤六中，浓硝酸与氢氟酸的体积比为3：1，腐蚀时间10-30min，超声波清洗时间5-20min。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：本发明利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜，主要利用金刚石难以在铜上形核和生长的原理，利用等离子体化学气相沉积的方法在未被模板覆盖的硅衬底区域生长出表面平整光滑的纳米金刚石膜。这种方法简化了图形化纳米金刚石膜的制备流程，提高了纳米金刚石膜图形化的精确度，可以减少其他外界因素的影响得到所需形状的纳米金刚石膜，显著提高了纳米金刚石膜的推广和多样化的工业应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是模板与硅衬底结合的剖面图；
图2是模板与硅衬底结合的俯视图；
图3是表面镀有铜膜的硅衬底的剖面图；
图4是表面镀有铜膜的硅衬底的俯视图；
图5是表面生长有NCD和铜膜的硅衬底的剖面图；
图6是表面生长有NCD和铜膜的硅衬底的俯视图；
图7是圆环形纳米金刚石膜结构示意图；
图中：1、模板；2、硅衬底；3、铜膜；4、纳米金刚石膜。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
实例一
硅衬底直径8mm；预制备图形为圆形，直径6mm；
第一步，首先先后用无水乙醇和去离子水对硅衬底进行超声波清洗30min(超声波的频率40000Hz，功率为500W),去除表面污渍和浮尘，之后用纳米金刚石微粉50mg,无水乙醇100mL配成悬浊液对硅衬底进行超声波预处理60min，干燥后待用；
第二步，制备出直径为6mm，厚度为0.2mm的模板，把模板放置在硅衬底表面，得到试样；
第三步，利用溅射镀膜或热蒸发镀膜的方法，在未被模板覆盖的硅衬底区域镀铜膜。
第四步，移除模板，得到未被模板覆盖区域镀有厚度5μm的铜膜；
第五步，将步骤四得到的样品作为衬底，放入真空腔体内，通入工作气体，利用等离子体化学气相沉积的方法，低温下在未覆盖铜膜的位置沉积纳米金刚石膜；
第六步，真空冷却，去真空得到表面有图形化纳米金刚石膜和铜膜的硅衬底，利用浓硝酸和氢氟酸体积比为3：1的混合溶液腐蚀铜膜和硅衬底10min得到图形化的纳米金刚石膜，从酸中取出图形化好的纳米金刚石膜，用去离子水超声波清洗20min，干燥。
实例二
硅衬底直径10mm；预制备图形为矩形，长6mm，宽4mm；
第一步，首先先后用无水乙醇和去离子水对硅衬底进行超声波清洗30min(超声波的频率40000Hz，功率为500W),去除表面污渍和浮尘，之后用纳米金刚石微粉50mg,无水乙醇100mL配成悬浊液对硅衬底进行超声波预处理60min，干燥后待用；
第二步，制备出长为6mm，宽为4mm，厚度为0.2mm的矩形模板，把模板放置在硅衬底表面，得到试样；
第三步，利用溅射镀膜或热蒸发镀膜的方法，在未被模板覆盖的硅衬底区域镀铜膜。
第四步，移除模板，得到未被模板覆盖区域镀有厚度6μm的铜膜；
第五步，将步骤四得到的样品作为衬底，放入真空腔体内，通入工作气体，利用等离子体化学气相沉积的方法，低温下在未覆盖铜膜的位置沉积纳米金刚石膜；
第六步，真空冷却，去真空得到表面有图形化纳米金刚石膜和铜膜的硅衬底，利用浓硝酸和氢氟酸体积比为3：1的混合溶液腐蚀铜膜和硅衬底16min得到图形化纳米金刚石膜，从酸中取出图形化好的纳米金刚石膜，用去离子水超声波清洗20min，干燥。
实例三
硅衬底直径12mm；预制备图形为三角形，边长8mm；
第一步，首先先后用无水乙醇和去离子水对硅衬底进行超声波清洗30min(超声波的频率40000Hz，功率为500W),去除表面污渍和浮尘，之后纳米金刚石微粉50mg,无水乙醇100mL配成悬浊液对硅衬底进行超声波预处理60min，干燥后待用；
第二步，制备出边长为8mm，厚度为0.2mm的三角形模板，把模板放置在硅衬底表面，得到试样；
第三步，利用溅射镀膜或热蒸发镀膜的方法，在未被模板覆盖的硅衬底区域镀铜膜；
第四步，移除模板，得到未被模板覆盖区域镀有厚度8μm的铜膜；
第五步，将步骤四得到的样品作为衬底，放入真空腔体内，通入工作气体，利用等离子体化学气相沉积的方法，低温下在未覆盖铜膜的位置沉积纳米金刚石膜；
第六步，真空冷却，去真空得到表面有图形化纳米金刚石膜和铜膜的硅衬底，利用浓硝酸和氢氟酸体积比为3：1的混合溶液腐蚀铜膜和硅衬底20min得到图形化的纳米金刚石膜，从酸中取出图形化好的纳米金刚石膜，用去离子水超声波清洗20min，干燥。
实例四
硅衬底直径16mm；预制备形状为五边形，边长6mm；
第一步，首先先后用无水乙醇和去离子水对硅衬底进行超声波清洗30min(超声波的频率40000Hz，功率为500W),去除表面污渍和浮尘，之后用纳米金刚石微粉50mg,无水乙醇100mL配成悬浊液对硅衬底进行超声波预处理60min，干燥后待用；
第二步，制备出边长为6mm，厚度为0.2mm的五边形模板，把模板放置在硅衬底表面，得到试样；
第三步，利用溅射镀膜或热蒸发镀膜的方法，在未被模板覆盖的硅衬底区域镀铜膜。
第四步，移除模板，得到未被模板覆盖的区域镀有厚度10μm的铜膜；
第五步，将步骤四得到的样品作为衬底，放入真空腔体内，通入工作气体，利用等离子体化学气相沉积的方法，低温下在未覆盖铜膜的位置沉积纳米金刚石膜；
第六步，真空冷却，去真空得到表面有图形化纳米金刚石膜和铜膜的硅衬底，利用浓硝酸和氢氟酸体积比为3：1的混合溶液腐蚀铜膜和硅衬底30min得到图形化的纳米金刚石膜，从酸中取出图形化好的纳米金刚石膜，用去离子水超声波清洗20min，干燥。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤一、首先，先后用无水乙醇和去离子水对硅衬底进行超声波清洗，然后用纳米金刚石微粉的乙醇悬浊液对硅衬底进行超声波预处理，干燥后待用；
步骤二、制备与纳米金刚石膜的形状、大小一致的模板，把模板放置在硅衬底表面，得到试样；
步骤三、在未被模板覆盖的硅衬底区域镀铜膜，所镀铜膜的厚度5-10μm；
步骤四、移除模板，得到表面未被模板覆盖的区域镀有铜膜的硅衬底；
步骤五、将步骤四得到的样品作为衬底，放入真空腔体内，通入工作气体，利用等离子体化学气相沉积的方法，低温下在未覆盖铜膜的位置沉积纳米金刚石膜，所述工作气体为无水乙醇/氢气/氩气或丙酮/氢气/氩气，沉积温度500-650℃；
步骤六、真空冷却，去真空，利用浓硝酸和氢氟酸的混合溶液腐蚀铜膜和硅衬底得到图形化了的纳米金刚石膜，从酸中取出图形化好的纳米金刚石膜，用去离子水超声波清洗，干燥；所述浓硝酸和氢氟酸的混合溶液中浓硝酸与氢氟酸的体积比为3：1，腐蚀时间10-30min，超声波清洗时间5-20min；
所述步骤一中，硅衬底的直径8-20mm，用无水乙醇和去离子水对硅衬底超声波清洗的时间均为10-30min，用纳米金刚石微粉的乙醇悬浊液对硅衬底的预处理时间为30-60min；所述步骤一中，纳米金刚石微粉的乙醇悬浊液是由纳米金刚石微粉和无水乙醇按照50-100mg：100-200mL的比例混合制得；
所述步骤二中，模板的材料为钼，厚度0.2-1mm。
2.如权利要求1所述的利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法，其特征在于：所述步骤三中，镀铜膜的方法选用溅射镀膜法或热蒸发镀膜法。
CN201710639969.7A 2017-07-31 2017-07-31 一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法 Active CN107400876B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710639969.7A CN107400876B (zh) 2017-07-31 2017-07-31 一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710639969.7A CN107400876B (zh) 2017-07-31 2017-07-31 一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107400876A CN107400876A (zh) 2017-11-28
CN107400876B true CN107400876B (zh) 2019-10-22

Family

ID=60401736

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710639969.7A Active CN107400876B (zh) 2017-07-31 2017-07-31 一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107400876B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113388822B (zh) * 2021-06-10 2023-05-12 南方科技大学 一种表面具有拓扑图案的金刚石薄膜及其制备方法和应用
CN113755814A (zh) * 2021-09-10 2021-12-07 安徽光智科技有限公司 衬底的预处理方法、及该方法在金刚石膜制备过程中的应用
CN115637431A (zh) * 2022-10-28 2023-01-24 武汉莱格晶钻科技有限公司 一种硅片衬底表面预处理方法及其应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5961718A (en) * 1995-10-16 1999-10-05 National Science Council Process for selectively depositing diamond films

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5961718A (en) * 1995-10-16 1999-10-05 National Science Council Process for selectively depositing diamond films

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Techniques for Patterning of CVD Diamond Films on Non-Diamond Substrates;A.Masood et al.;《J .Electrochem. Soc.》;19911130;第138卷(第11期);958页第3段至959页第2段，第960页第1段 *
铜基体上CVD金刚石厚膜的制备;马丙现等;《无机材料学报》;20040731;第19卷(第4期);L67页左栏第1-2段，右栏第1-3段，第L68页图2（b） *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107400876A (zh) 2017-11-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107400876B (zh) 一种利用铜膜图形化制作纳米金刚石膜的方法
CN102677022B (zh) 一种原子层沉积装置
CN104458813B (zh) 基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统及其制备方法
CN101118378B (zh) 金刚石表面图形化的制备方法
CN104561937A (zh) 原子层沉积制备具有固体润滑作用的ws2薄膜方法
CN105261657B (zh) 一种mis薄膜电容器的制造工艺
CN103155716A (zh) 用以降低在等离子体蚀刻室中的粒子缺陷的方法及设备
CN107697906A (zh) 一种铜/石墨烯复合材料的制备方法
CN107227444A (zh) 防指纹保护薄膜镀膜的制备方法及防指纹保护薄膜镀膜制品
CN107523828B (zh) 一种GaN与金刚石复合散热结构的制备方法
CN103715070B (zh) 一种带胶磁控溅射厚膜的方法
CN104805405A (zh) 一种氮化铝压电薄膜及其制备方法
CN105970215B (zh) 一种轴承的复合层制备方法及其轴承
CN106756846A (zh) 一种共掺杂dlc薄膜的制备方法
CN106449565A (zh) 基于石墨烯大比表面积柔性散热器的制造方法
CN103746602B (zh) 一种螺旋型压电式能量采集器制备方法
CN105858597B (zh) 悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法
CN104599949A (zh) 基于SiC衬底片深刻蚀光滑表面的加工工艺
CN104724664A (zh) 单晶金刚石纳米柱阵列结构的制备方法和应用
CN109250682A (zh) 一种悬浮梁-膜结构的制备方法
CN107299318B (zh) 一种耐boe腐蚀的金属掩膜制备方法
CN100570828C (zh) 刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法
CN102288844B (zh) 在金刚石对顶砧上集成电极的方法
CN105779950B (zh) 低温气相沉积洋葱结构碳基超润滑薄膜的方法
CN116639694A (zh) 一种振膜材料、制备方法及声波传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant