CN1271243C - 纳米微晶金刚石薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种纳米微晶金刚石薄膜及其制备方法。该薄膜为一种多层复合膜，由纳米尺寸的金刚石薄膜NCD和亚微米尺寸的金刚石薄膜依次交替相叠组成。每层NCD厚度为0.01-0.08微米，MCD厚度为0.1-0.3微米。其制备采用电子束辅助热灯丝化学气相沉积方法，二步法金刚石高密度成核优化生长工艺，多光束干涉薄膜厚度实时监控工艺，并选用合适的优化工艺条件。所得纳米微晶金刚石薄膜，除了具有CVD金刚石的优良性能外，其表面光散射大为减少，且短波透射率有明显改善。可广泛用作红外及可见光光学保护膜和增透膜、增反膜等光学器件。
Description
技术领域
本发明属薄膜材料技术领域，具体涉及一种纳米微晶金刚石薄膜及其制备方法。
背景技术
化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜是国际材料科学的一个新兴研究热点，它具有与天然金刚石十分接近的一系列优良性质，在科学技术，工业，军工，轻工等许多领域具有重大的应用价值。它的禁带宽度是5.4ev(电子伏特)，这使它从紫外直到远红外均具有极好的光学透过性，且具有极高的硬度和化学稳定性，是制备红外光学保护膜和增透膜的理想材料。具有高强度、高透射、高热导、耐高温、耐腐蚀、热涨小的特点，能有效克服传统材料的固有缺陷，成为21世纪新兴高科技材料。
由于金刚石薄膜是多晶薄膜，因此其表面通常比较粗糙，导致很严重的表面光散射，使光能量利用率降低，而且成象模糊。限制了它在光学器件方面的应用。
近年来随着纳米技术的飞速发展，纳米金刚石薄膜研究成为金刚石薄膜领域的一个活跃分支。在保留CVD金刚石薄膜的大部分优点的同时，它具有晶粒致密，表面光滑，与其它材料附着力强的特点，受到人们的关注。但是纳米金刚石薄膜由于其生长条件的限制，在薄膜内部一般存在少量石墨、无定型碳及碳氢化合物等杂质，使它的光学吸收率比天然金刚石和CVD金刚石薄膜的吸收率大，也使光能量利用率降低，还会引入一些特定的吸收带。
发明内容
本发明的目的在于提出一种表面光散射大为减少，而仍能保持CVD金刚石良好性能的纳米微晶金刚石薄膜材料及其制备方法。
本发明提出的纳米微晶金刚石薄膜，是一种多层复合膜。它由小颗粒纳米尺寸CVD金刚石薄膜(以下简称金刚石纳晶薄膜，记作NCD)及大颗粒亚微米尺寸的CVD金刚石薄膜(以下简称金刚石微晶薄膜，记作MCD)依次交替相叠组成。其中MCD层较厚，由于其金刚石纯度高，所以光学吸收小，品质优良。其上沉积很薄的一层致密小颗粒纳米金刚石膜，这种NCD膜层能有效填充MCD大颗粒金刚石晶粒之间的空隙，降低薄膜的表面粗糙度，从而可大大减少光线在薄膜表面及体内的散射。同时，由于NCD膜很薄，对于整个纳米微晶金刚石复合薄膜的光学透射率影响不大。其结构如图1所示。
本发明中，每层MCD膜的厚度一般为0.1-0.3微米，每层NCD膜的厚度为0.01-0.08微米。以一层MCD膜、一层NCD膜为复合层次，则复合膜的复合层次可为1-10，具体可根据实际需要选定。
本发明的纳米微晶金刚石薄膜的制备方法如下：
采用电子束辅助热灯丝化学气相沉积方法，沉积金刚石薄膜，甲烷和氢气作为还原气氛，
1.成核阶段：甲烷3-10％其余为氢气，
2.长膜阶段：甲烷1-4％其余为氢气，
制备过程中，控制气体流量：50-250SCCM(标准立方厘米/每分钟)，控制灯丝温度：1900-2200℃，控制基板温度：沉积MCD膜时为：680-750℃，沉积NCD膜时为：600-680℃；MCD膜和NCD膜交替沉积，直至需要的厚度。
本发明采用二步法金刚石高密度成核优化生长工艺，可保证金刚石薄膜的高密度成核及定向晶面生长。
本发明中，可采用多光束干涉薄膜厚度实时监控工艺，以精密监控MCD及NCD膜层厚度。
由本发明获得的纳米微晶金刚石薄膜，除了具有CVD金刚石的优良性能外，其表面平整光滑，光散射大大减少，且其短波透射率又有明显改善。可用于制备红外及可见光光学保护膜和增透膜、增反膜等光学器件。
附图说明
图1为本发明的纳米微晶金刚石薄膜的结构示意图。其中，(a)为NCD层，(b)为MCD层，(c)为基板。
图2为本发明的纳米微晶金刚石薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片。其中，图2(a)为金刚石微晶薄膜，图2(b)为纳米微晶金刚石复合薄膜，可以观察到金刚石纳晶薄层覆盖于金刚石微晶层之上。
图3为本发明的纳米微晶金刚石薄膜的透射率实测曲线。其中，虚线为一般CVD金刚石微晶薄膜之透射率实线为纳米微晶金刚石复合薄膜之透射率，其短波段透射性能明显改善。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明，但不限于该实施例。
实施例1，厚度为0.4微米、直径为12毫米的纳米微晶金刚石复合薄膜制备。采用化学气相沉积方法，金刚石高密度成核优化生长工艺，采用多光束干涉薄膜实时监控工艺，控制NCD及MCD膜层厚度。基板采用多晶硅，具体工艺参数如下：
1、成核阶段：甲烷4％其余为氢气，
2、长膜阶段：甲烷2％其余为氢气，
3、气体流量：100-250SCCM
4、灯丝温度：2100-2200℃
5、基板温度：MCD：700-750℃；NCD：600-660℃
膜层结构：
第一层MCD，厚度：0.16微米
第二层NCD，厚度：0.04微米
第三层MCD，厚度：0.16微米
第四层NCD，厚度：0.04微米
实施例2，厚度为0.5微米，通光口径为6毫米的完全无依托纳米微晶金刚石窗口(基板直径12毫米)纳米微晶金刚石复合薄膜制备。制备方法同前，具体工艺参数如下：
1、成核阶段：甲烷4％其余为氢气，
2、长膜阶段：甲烷1.5％其余为氢气，
3、气体流量：50-100SCCM
4、灯丝温度：1900-2100℃
5、基板温度：MCD：680-700℃；NCD：660-680℃
膜层结构：
第一层MCD，厚度：0.20微米
第二层NCD，厚度：0.05微米
第三层MCD，厚度：0.20微米
第四层NCD，厚度：0.05微米
制成后用化学方法在基板背面刻蚀掉一部分硅基板，从而形成厚度0.5微米，通光口径为6毫米的完全无依托纳米微晶金刚石窗口。
Claims (4)
1、一种纳米微晶金刚石薄膜，是一种多层复合膜，其特征在于由小颗粒纳米尺寸的金刚石薄膜和大颗粒亚微米尺寸的金刚石薄膜依次交替相叠组成；其中，每层亚微米尺寸的金刚石膜的厚度为0.1-0.3微米，每层纳米尺寸的金刚石薄膜的厚度为0.01-0.08微米。
2、根据权利要求1所述的纳米微晶金刚石薄膜，其特征在于复合膜的复合层次为1-10。
3、一种纳米微晶金刚石薄膜的制备方法，其特征在于具体步骤如下：采用电子束辅助热灯丝化学气相沉积方法，沉积金刚石薄膜，甲烷和氢气作为还原气氛，
(1)成核阶段：甲烷3-10％其余为氢气，
(2)长膜阶段：甲烷1-4％其余为氢气，
制备过程中，控制气体流量：50-250标准立方厘米/分，控制灯丝温度：1900-2200℃，控制基板温度：沉积亚微米尺寸的金刚石薄膜时为：680-750℃，沉积纳米尺寸的金刚石薄膜时为：600-680℃；亚微米尺寸的金刚石薄膜和纳米尺寸的金刚石薄膜交替沉积，直至需要的厚度。
4、根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于监控亚微米尺寸的金刚石薄膜层和纳米尺寸的金刚石薄膜层厚度采用多光束干涉薄膜实时监控工艺。
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