CN1123847A - 一种热丝法生长金刚石的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学汽相沉积技术，特别是涉及采用热丝法汽相沉积大面积金刚石膜的方法。本发明为了有效地利用真空室，节省电耗及气体有效的生长大面积金刚石膜，从而提供一种由一根或多根W钨丝竖直悬挂在反应室顶，待沉积基材相对于W丝竖直悬挂在W钨丝周围的排列方式，通入反应介质，汽相沉积生长金刚石膜的方法。该方法可把沉积效率提高1-4倍减少电耗和反应介质，降低反应成本。

Description

一种热丝法生长金刚石的方法

本发明属于化学汽相沉积技术，特别是涉及采用热丝方法气相沉积金刚石薄膜的方法。

化学气相生长金刚石膜是将氢气、甲烷(或含碳有机气体、液体)通过高温分解，在基材上通过复杂的化学反应而达到生长金刚石膜的目的。其中原子氢在其中起了决定性的作用。目前已有气相生长金刚石膜的方法，如热丝法、微波等离子体法、等离子体射流、O₂-C₂H₂焰等，较有应用价值的沉积方法集中在热丝法、微波法以及等离子体射流法上。由于热丝法在增加热丝的灵活性及工艺、设备简单的优点，在大面积沉积金刚石膜上有着很大的优势，但缺点是金刚石生长的速度慢，膜纯度独不高等。微波等离子体由于微波源的限制，较难在很大面积上生长金刚石膜，最大面积φ100mm，生长速度与热丝法差不多，优点是金刚石膜的纯度高。等离子体射流法生长速度快，可达n＋－n百μm/h，但面积较难提高(目前有很多人致力于此项研究)，耗气、电均很大，且喷枪不能长时间连续工作。

热丝法是利用高熔点的金属或合金丝(钨、钼、铼等)，使其温度在2000℃以上，分解氢气及含碳的反应气体。分解的有效基元(CxHy，X，Y＝0～3)输运到基材表面发生一系列的化学反应来生长金刚石膜。起其中一个关键的反应是原子氢对生长的石墨的腐刻，只留下稳定的金刚石继续生长。

目前热丝法生长金刚石膜最快的生长速率为10μm/h左右(电子增强热丝法)。采用水平排列的多丝沉积面积可达φ100mm。如文献“热丝法大面积生长金刚石膜及温度场”《材料研究学报>。反应气体采用氢气(H₂)，甲烷(CH₄)、(酒精C₂H₅OH，丙酮CH₃COCH₃等)，及加入少量的氧。进一步增加沉积面积时，遇到一些困难，如大面积W丝排列时工作的稳定性及膜生长的均匀性。现在多采用W丝的水平排列，下侧放置基材(基材距W丝10mm左右)，进一步增加W丝面积时，由于气体流动等因素的干扰(反应后的气体不易及时排出而干扰金刚石的进一步生长，使得中心部分膜生长速度较慢)，膜较难均匀生长。因而单纯靠增加W丝排列面积而提高金刚石膜的生长面积有一定的困难，总的说来，目前基本上采用W丝排列面积略大于沉积面积的方法。

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点和不足，为了有效地利用真空室的空间，节约反应气体和电能，提高金刚石膜的生长效率，以生长出大面积金刚石膜，从而提供一种在真空室内竖直悬挂钨丝，相对钨丝周围悬挂沉积基片，当加热钨丝时周围产生均匀温度分布，并通入含碳的有机气体或液体做反应气体，经沉积得到均匀的大面积金刚膜的热丝法。

本发明的目的是这样实现的：

从有效基元的输运机理看，经过高温W丝表面热分解的原子氢，含碳先驱体(C_xH_y)等需从W丝输运到基材表面有两种输运机制，一是对流，包括强迫和自由对流，二是由浓度、温度梯度引起的热扩散质量输运。而对流对金刚石膜的生长速度及质量均无影响。这就是说，气体的流动方向对金刚石膜的生长并无很大影响，而有效基元的输运完全是由温度及浓度梯度控制的。

热丝法生长大面积金刚石膜是用钨丝等材料做热丝和采用单品Si钼、钨、SiC、AlN、SiO₂、Cu等做基片，通入反应气体是含碳的有机气体或液体和氢气或者加入少量氧气的混合气体。真空室内的反应室是用钼片、钨片或其它耐高温金属及其合金做成。本发明提供的方法制做过程为取一根或多根钨丝竖直悬挂在真空室内的反应室顶，钨丝排列可以单根，也可以多根组成一个平面或四面，五面形(如图1-4所示)，把待沉积金刚石膜的基片相对钨丝竖直排列在W丝四周，基片与W丝之间距离为5-15mm，当反应室内压力为20-100Torr，W丝温度大于2000℃，基片温度达700-1000℃，通入反应气体的浓度为0.2Vol％-5Vol％，通入气体总流量为50-1000sccm，这时金刚石膜的沉积速度为0.5V～10μm/小时左右，进行沉积生长金刚石膜沉积的时间与形成膜的厚度成正比。生长速度与通入反应气体种类，以及是否增加偏压等有关。

下面结合附图1-4及实施例对本发明进行详细说明：

图1是热丝法生长金刚石膜的真空室内结构示意图；

图2是本发明的一种钨丝排列实施示意图；

图3是本发明的第二种钨丝排列示意图；

图4是本发明的第三种钨丝排列示意图；

图1-4中的1-反应气体通入道，2-反应室，3-真空室，4-钨丝，5-基片

实施例1：

按图2的钨丝与基片排列方式生长金刚石膜，取一根0.2mm×长50mm的单根钨丝(4)做成螺旋状，将其悬挂在钨片反应室(2)顶，在钨丝四周排列4片10×40mm面积的单品Si片(5)，每片Si片距钨丝相距10mm。当钨丝加热达2000℃，反应室(2)内压力为30Torr时，同时通入H₂＋CH₄混合气体，其气体通入流量为H₂：sccm，CH₄：sccm，沉积时间为5小时可在四块基材上生长出厚5μm的均匀金刚石膜。

实施例2：

按图3的钨丝与基片的排列方式进行热丝法生长金刚石膜。具体过程如下：用0.5×100mm的5根钨丝(4)竖直排成一排悬挂在用钼片做的反应室(2)的顶上，在平行钨丝(4)的两侧竖直放置两片钼的基片(5)，基片(5)的面积为长80×宽80mm，当真空室内真空度达30Torr和钨丝的温度达2200℃时，通入H₂＋O₂＋CH₄组成的反应气体，气体流量为500sccm进行10小时沉积生长出厚15～20mm的金刚石膜。

实施例3：

按图4的钨丝与基片的排列方式进行热丝法生长金刚石膜。具体过程如下：取φ0.8×100mm的8根钨丝(4)分两排平行悬挂在反应室顶，在平行钨丝(4)外侧放置2片Si基片(5)，其反应室(2)用Mo合金片做，当真空室内真空度达30Torr和钨丝温度达2300℃时，通入反应气体H₂＋CH₄，1000sccm，进行5小时沉积生长出厚8mm的金刚石膜。

实施例4：

在图4的基础上可把钨丝(4)竖直排列成方型，在钨丝的四周平行放置4片基片(5)和还可在钨丝(4)的底放置一基片(5)，其余生长条件同实施例3来生长金刚石膜。

本发明的优越性：可将沉积金刚石膜效率提高1-4倍(面积)这也相当于在沉积面积不变的情况下生长速度提高了1-4倍，而且是在气体流量，耗电增加较少的情况下得到的，这不仅降低了工业生产时设备的一次性投入费用，而且也使得生产成本降低，达到大量推广的要求，同时也可在较小的设备上达到大面积生长金刚石膜的要求。

Claims (4)

1.一种在真空室内用钨丝或其它耐高温的材料做加热丝(4)，通以氢气及含碳的气体或液体做反应介质，在多种材料的基材(5)上气相沉积大面积金刚石膜的方法，其特征在于：用一根或多根钨丝排列成1-5面形竖直悬挂在真空室内的反应室(2)顶上，基材(5)平行放置在W丝(4)周围，当真空度达20-100托和钨丝(4)温度达2000℃时通入流量为50-1000sccm的反应介质，沉积时间为2-n十小时。

2.按权利要求1所述的一种热丝法生长金刚石膜的方法其特征在于：所述的基材(5)是采用单品Si、钼、钨、Sic、AcN、Si₃N₄、Cu等材料做成。

3.按权利要求1所述的一种热丝法生长金刚石膜的方法，其特征在于：所述的反应介质是H₂＋CH₄、H₂＋O₂＋CH₄、乙醇、丙酮。

4.按权利要求1所述的一种热丝法生长金刚石膜的方法，其特征在于：可以通过热丝与基材间施加正或负偏压，用于提高金刚石膜的形核密度及生长速率。

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