CN108505015B - 电感耦合等离子体沉积金刚石的方法 - Google Patents

电感耦合等离子体沉积金刚石的方法 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，采用氩气，氢气和甲烷混合气体为等离子体源气体，通过气体流量控制器进入气体分流器；利用输入功率≥100kW的高频设备提供频率为1‑8MHz的高频振荡电流，产生高频电磁场，形成高频等离子体；所述高频等离子体进入沉积系统中将沉积基体加热，得到沉积金刚石；其中气体分流器的出口为环形分布的小孔阵列。本发明利用大功率电感耦合高频等离子体作为激活热源，采用化学气相沉积法制备金刚石，以较高速率制备大面积、高质量金刚石。

Description

电感耦合等离子体沉积金刚石的方法
技术领域
本发明涉及一种沉积金刚石的方法，特别是涉及一种电感耦合等离子体沉积金刚石的方法。
背景技术
金刚石具有非常优异的物理化学性能，如具有最高的硬度、室温下高热导率、低热膨胀系数、从真空紫外直至远红外几乎全波段透明、最高的弹性模量和纵波声速、低介电常数、宽禁带以及具有极佳的化学稳定性等，是性能极佳的半导体材料、窗口材料及耐磨结构材料，在电子、光学、机械、激光以及声学等领域有着广阔的应用前景。
目前人工合成金刚石的方法主要包括热压法与化学气相沉积(CVD)法。目前CVD法沉积金刚石的技术主要包括：热丝法,微波等离子体法，直流电弧等离子体法和燃烧火焰法。现有CVD法制备的金刚石性能虽然优于热压法，但仍存在诸多问题。
20世纪90年代前后，有学者研究了利用电感耦合等离子体沉积金刚石薄膜的方法(ICPCVD法)。该类型等离子体由电感线圈产生的振荡电磁场激发产生，具有等离子体密度大、能量高的特点，而且无极放电，没有电极金属杂质的污染，因此等离子体成分纯净，理论上是制备高质量金刚石合适的方法。然而后续关于ICPCVD法沉积金刚石的报道极少，该方法也未能得到有效应用。这是由于其存在难以克服的缺点：第一，电感耦合高频等离子体存在趋肤效应，即等离子体边缘温度较高，中心温度较低，导致金刚石沉积厚度不均匀，难以进行大量沉积。感应电场频率越高，趋肤效应越明显，而频率越低，等离子体越难以维持。因此现有研究使用的电感耦合等离子体频率均大于4MHz。第二，由于功率较小(均小于60kW，难以实现更大功率)，现有电感耦合等离子体直径较小(小于76mm)，因此难以制备大面积金刚石材料。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种新型的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，所要解决的技术问题是使其得到大面积、高质量金刚石，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，采用氩气，氢气和甲烷混合气体为等离子体源气体，通过气体流量控制器进入气体分流器；利用输入功率≥100kW的高频设备提供频率为1-8MHz的高频振荡电流，产生高频电磁场，形成高频等离子体；所述高频等离子体进入沉积系统中将沉积基体加热，得到沉积金刚石；
其中气体分流器的出口为环形分布的小孔阵列。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其中所述的气体分流器的出口的小孔阵列为三个或三个以上的环形，小孔直径为1-3mm；相邻两个环形阵列外侧气体流量与内侧气体流量比为1.2-5。
优选的，前述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其中所述的氩气流量为1-50slm，所述的氢气的流量为1-50slm，甲烷流量为50-400sccm；甲烷流量与氢气的流量比为1％-8％。
优选的，前述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其中所述的等离子体轴线与沉积基体上表面夹角为20°-90°。
优选的，前述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其中所述的沉积基体的转速为5-100rpm。
优选的，前述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其中所述的沉积基体的直径为6-300cm。
优选的，前述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其中所述的沉积系统的103-105Pa。
优选的，前述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其中所述的沉积基体的温度为450-1100℃。
借由上述技术方案，本发明电感耦合等离子体沉积金刚石的方法至少具有下列优点：
(1)本发明使用了低频率等离子体发生器以及大直径环形多层分流器，使气流梯度与低频率电磁场相匹配在增大等离子体直径的同时减小了趋肤效应，使温度、原子浓度分布更为均匀，可沉积直径达300mm的金刚石，中心与边缘厚度差异可小于4％。提高了金刚石尺寸沉积速率一致性。
(2)利用大功率电感耦合激发等离子体作为激活热源，既提高了气体的离化率，又可使沉积过程在较高气压下进行，沉积速率可达到250-455μm/h。此外，电感耦合等离子体属于无电极放电，可避免电极带来的金属离子污染，证了金刚石的纯度。
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，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明沉积系统示意图。
图2是本发明气体分流器出口示意图。
图3是本发明实施例1的金刚石拉曼图谱。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明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，对依据本发明提出的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明的一个实施例提出的一种电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其沉积系统示意图如图1所示。气体分流器起分流气体的作用，其出口示意图如图2所示，为环形分布的小孔阵列，且每个环上小孔均匀分布，；小孔直径为1-3mm，小孔阵列为三个或三个以上的环形。采用氩气，氢气和甲烷混合气体为等离子体源气体，将甲烷、氢气和氩气经混合，经过气体流量控制器2调节流量后进入气体分流器1。氩气，氢气的流量分别为1-50slm，甲烷流量为50-400sccm，甲烷流量与氢气的流量比为1％-8％。通过气体流量控制器2设定气体流量，使相邻两个环形阵列流出的气体流量呈设定比例，外侧与内侧流量比为1.2-5。流出的平行气流3进入石英玻璃管4，石英玻璃管4的直径为50-300mm。石英玻璃管4外面套有电感线圈5，利用输入功率≥100kW的高频设备向电感线圈5提供频率为1-8MHz的高频振荡电流，进而在石英玻璃管4内产生高频电磁场，高频电磁场将气流3电离形成高频等离子体6。等离子体6进入沉积室7后将沉积基体8加热，等离子体轴线与沉积基体8上表面夹角为20-90°，沉积基体8直径为6-300cm；沉积基体8在旋转机构9的带动下以5-100rpm的速度旋转，并控制沉积基体8距等离子体发生器喷口的距离为3-30cm。沉积室7通过排气口10与真空泵相连，通过真空泵调节沉积系统中的气压为103-105Pa。使用红外测温仪11测量沉积基体8的表面温度，沉积基体8连接循环水冷系统，使其温度保持在450-1100℃。
实施例1
本发明的一个实施例提出一种电感耦合等离子体沉积金刚石的方法。使用额定功率为200kW的电感耦合高频等离子体作为热源，工作频率设定为8MHz。分流器出口小孔阵列为6个环，小孔直径为2mm，相邻两个环形阵列流出的气体流量比例自内向外依次为1.2、1.4、1.8、2.6、3.6、4.5。石英玻璃管直径为180mm，以钼为基体材料，直径为150mm，经抛光、种晶后固定在基座上。通过调节石英玻璃管使等离子体轴线与沉积基体表面夹角为90°，设定沉积基体转速为20rpm，距等离子体发生器喷口的距离为10cm。抽真空至低压10-2Pa后通入Ar清洗三次。打开等离子体电源并将功率设定在20kW，同时通入Ar气，起弧形成等离子体。加入氢气和甲烷，将输入功率升至150kW，得到稳定的等离子体。调节Ar流量为40slm，H2流量为15slm，CH4流量为200sccm，腔内沉积压强维持在10000pa。沉积9h得到金刚石样品，其直径为150mm，平均厚度为3.6mm，中心与边缘最大厚度差为0.3mm，沉积速率为400μm/h。测试其拉曼光谱图如图3所示，可见其成分为金刚石，不存在无定形态碳及石墨相，沉积质量较好。
实施例2
本发明的一个实施例提出一种电感耦合等离子体沉积金刚石的方法。使用额定功率为200kW的电感耦合高频等离子体作为热源，工作频率设定为2MHz。分流器出口小孔阵列为4个环，小孔直径为1mm，相邻两个环形阵列流出的气体流量比例自内向外依次为1.2、1.5、2.1、3.1，石英玻璃管直径为120mm，以钼为基体材料，直径为100mm，经抛光、种晶后固定在基座上。通过调节石英玻璃管使等离子体轴线与沉积基体表面夹角为20°，设定沉积基体转速为5rpm，距等离子体发生器喷口的距离为12cm。抽真空至低压10-2Pa后通入Ar清洗三次。打开等离子体电源并将功率设定在20kW，同时通入Ar气，起弧形成等离子体。加入氢气和甲烷，将输入功率升至100kW，得到稳定的等离子体。调节Ar流量为10slm，H2流量为4slm，CH4流量为100sccm，腔内沉积压强维持在10000pa。沉积10h得到金刚石样品，其直径为100mm，平均厚度为2.5mm，中心与边缘最大厚度差为0.1mm，沉积速率为250μm/h。
实施例3
本发明的一个实施例提出一种电感耦合等离子体沉积金刚石的方法。使用额定功率为200kW的电感耦合高频等离子体作为热源，工作频率设定为2MHz。分流器出口小孔阵列为10个环，小孔直径为3mm，相邻两个环形阵列流出的气体流量比例自内向外依次为1.2、1.2、1.2、1.3、1.3、1.6、1.9、2.3、3、4。石英玻璃管直径为330mm，以钼为基体材料，直径为300mm，经抛光、种晶后固定在基座上。通过调节石英玻璃管使等离子体轴线与沉积基体表面夹角为50°，设定沉积基体转速为30rpm，距等离子体发生器喷口的距离为8cm。抽真空至低压10-2Pa后通入Ar清洗三次。打开等离子体电源并将功率设定在20kW，同时通入Ar气，起弧形成等离子体。加入氢气和甲烷，将输入功率升至200kW，得到稳定的等离子体。调节Ar流量为50slm，H2流量为50slm，CH4流量为400sccm，腔内沉积压强维持在10000pa。沉积9h得到金刚石样品，其直径为300mm，平均厚度为4.1mm，中心与边缘最大厚度差为0.4mm，沉积速率为455μm/h。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其特征在于，采用氩气，氢气和甲烷混合气体为等离子体源气体，通过气体流量控制器进入气体分流器；利用输入功率≥100 kW的高频设备提供频率为1-8 MHz的高频振荡电流，产生高频电磁场，形成高频等离子体；所述高频等离子体进入沉积系统中将沉积基体加热，得到沉积金刚石；
其中气体分流器的出口为环形分布的小孔阵列；所述的气体分流器的出口的小孔阵列为三个以上的环形；相邻两个环形阵列外侧气体流量与内侧气体流量比为1.2-5。
2.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其特征在于，所述的小孔直径为1-3mm。
3.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其特征在于，所述的氩气流量为1-50slm，所述的氢气的流量为1-50slm，甲烷流量为50-400 sccm；甲烷流量与氢气的流量比为1:100-8:100。
4.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其特征在于，所述的等离子体轴线与沉积基体上表面夹角为20°-90°。
5.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其特征在于，所述的沉积基体的转速为5-100rpm。
6.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其特征在于，所述的沉积基体的直径为6-300 cm。
7.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其特征在于，所述的沉积系统的气压为103-105Pa。
8.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体沉积金刚石的方法，其特征在于，所述的沉积基体的温度为450-1100℃。
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