CN1287418C

CN1287418C - 一种金刚石涂层Al2O3电子陶瓷基片制备方法

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Publication number: CN1287418C
Application number: CN 200310103181
Authority: CN
Inventors: 唐伟忠; 赵中琴; 吕反修; 李成明; 陈广超; 佟玉梅
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2023-11-07
Also published as: CN1542905A

Abstract

本发明提供了一种金刚石涂层Al₂O₃电子陶瓷基片制备技术，其特征在于：首先采用等离子体CVD技术，制备一种含有金刚石相的复相过渡层，过渡层的制备是以含有碳、氢、硅、氧元素的气体混合物为反应气体，在Al₂O₃陶瓷基片上沉积出一层含有金刚石相和SiO₂的复相薄膜；然后再采用等离子体CVD技术，在复相薄膜上，进一步沉积出金刚石涂层。本发明的优点在于：所获得的金刚石涂层Al₂O₃陶瓷基片热导率高、涂层附着力好、制备方法简单、制备成本较低。

Description

一种金刚石涂层Al2O3电子陶瓷基片制备方法

技术领域

本发明属于电子材料及元器件技术领域，特别是提供了一种金刚石涂层Al₂O₃电子陶瓷基片及其制备方法，可被应用于在Al₂O₃电子陶瓷基片表面涂敷具有较高附着力的金刚石涂层和制造相应的金刚石涂层Al₂O₃电子陶瓷基片材料。

背景技术

陶瓷基片是电子器件与集成电路制造业所需的重要材料。对其性能的要求除了高的绝缘性能、低的介电损耗外，还有尽量高的热导率。高的热导率有利于提高电子器件和集成电路的集成度与其可用的功率密度，降低器件和电路的温度升高，大幅度地提高其可靠性和使用寿命。

目前，在众多的基片材料中，在电子工业中获得广泛应用的是以Al₂O₃为基的陶瓷基片。它的特点是价格低廉，绝缘和介电性能良好，但其缺点是热导率很低。这使得使用Al₂O₃陶瓷基片制造具有更高集成度和更高功率密度的电子器件或集成电路的可能性受到了极大的限制。因此，人们一直在试图寻找一种综合性能更好的电子陶瓷基片材料。

金刚石具有一系列的优异特性，包括已知物质中最高的室温热导率，高的绝缘性能，较低的介电常数等。这使它成为了一种极具吸引力的电子基片材料。但是，尽管近年来化学气相沉积(CVD)方法制备金刚石膜的技术已经取得了很大的进展，但CVD金刚石材料制成的基片仍由于其制备成本过高而未能被广泛采用。

显然，使用CVD技术在普通的Al₂O₃陶瓷基片的表面沉积一层热导率较高的金刚石涂层，不仅可以保持Al₂O₃电子陶瓷基片成本较低的优点，还可以大大提高陶瓷基片整体的热导率。因此，一种能够在Al₂O₃陶瓷基片上制备符合使用要求的金刚石涂层的技术具有很大的实际意义。

但是，在将金刚石涂敷于Al₂O₃陶瓷基片表面时，金刚石涂层与陶瓷基片间附着力的高低将决定金刚石涂层基片的使用性能。实际上，将金刚石涂层直接涂敷至Al₂O₃陶瓷基片上时，总会遇到涂层附着力不足的问题。这是因为，金刚石与Al₂O₃陶瓷之间存在着化学键性质以及热膨胀系数方面的巨大差异，前者会极大地削弱金刚石涂层与Al₂O₃陶瓷基片之间的键合强度，而后者则会在金刚石涂层内产生很大的热应力，两者均会严重削弱金刚石涂层对Al₂O₃陶瓷基片的附着力。

为了解决金刚石涂层与Al₂O₃陶瓷之间附着力较差的问题，W.D.Fan等人(Surfaceand Coating Technology，72(1995)79)曾提出了一种制备金刚石复合涂层的方法。在这种方法中，需首先在A_l2_O3陶瓷上用激光蒸发沉积的方法制备一层由TiN，TiC，TiN-TiC等物质组成的过渡层，然后在这一过渡层上再沉积所需的金刚石涂层。显然，这种复合涂层并不适用于制备Al₂O₃电子陶瓷基片。这是因为，TiN，TiC，TiN-TiC等均具有很高的电导率，涂敷有上述过渡层的Al₂O₃陶瓷将具有很差的绝缘性能。实际上，上述方法并不是直接针对Al₂O₃电子陶瓷基片技术而提出来的。

专利申请(中国专利申请，申请号02137372.8)提出了另外一种制备金刚石涂层Al₂O₃陶瓷基片的方法。在这种方法中，首先采用离子注入的方法，对Al₂O₃陶瓷基片进行碳离子注入处理，然后将处理后的基片放入高温惰性气体环境中进行退火处理。最后，对经过上述离子注入和退火处理的基片施行金刚石涂层。对基片进行碳离子注入处理的目的是要克服金刚石涂层沉积过程中金刚石相难于在Al₂O₃陶瓷基片上形核，因而金刚石涂层附着力较差的问题。显然，这种方法需要使用相当昂贵的离子注入技术与设备，因而很难在工业中获得广泛应用。

发明内容

本发明的目的的在于：提供一种金刚石涂层Al₂O₃电子陶瓷基片及其制备方法，以解决金刚石涂层与Al₂O₃陶瓷基片间附着力不足的问题。

本发明首先采用CVD技术，制备一种含有金刚石相的复相过渡层。过渡层的制备是采用等离子体CVD技术，以含有碳、氢、硅、氧元素的气体混合物为反应气体，在Al₂O₃陶瓷基片上沉积出一层含有金刚石相和SiO₂的复相薄膜。然后再采用等离子体CVD技术，在上述复相薄膜上，进一步沉积出附着力良好的金刚石涂层。因此，金刚石涂层Al₂O₃陶瓷基片的制造方法可以被分为以下两个阶段：

(1)制备含有金刚石相的复相过渡层

过渡层的制备是采用等离子体CVD技术，以含有大量氢和一定量的碳、硅、氧元素的气体混合物为反应气体，氢、碳、硅、氧各元素的比例为50～200∶1～4∶0.5～2∶0.5～2。将混合气体的压力调整至10～100乇的范围内，在被加热至700～1000℃的Al₂O₃陶瓷基片上沉积含有金刚石相和SiO₂的复相薄膜。沉积过程中，气体中的氢将部分地被等离子体分解为氢原子，而碳、硅两种元素将大量以碳-氢、硅-氧、碳-硅等原子团的形式存在。这样，在等离子体作用的条件下，上述气体混合物将在被加热的Al₂O₃陶瓷基片上发生沉积，沉积产物将形成包含金刚石、SiO₂固相的复合薄膜。这样一种复相沉积物将可被作为进一步沉积金刚石涂层的过渡层。上述的等离子体CVD技术包括：微波等离子体CVD，热丝CVD或射频等离子体CVD技术之一。

(2)制备金刚石涂层

在制备了上述含有金刚石及SiO₂的复相过渡层后，进一步采用等离子体CVD技术，以含有大量氢和一定量的碳元素的气体混合物为反应气体，氢、碳元素的比例为50～200∶1～4，将混合气体的压力调整至10～100乇的范围内，在被加热至700～1000℃的Al₂O₃陶瓷基片上沉积单独含有金刚石相的金刚石涂层。这时，等离子体使气体中的氢部分地分解为氢原子，而碳元素将大量以碳-氢原子团的形式存在。在等离子体环境中，此气体混合物将在被加热的形成了复相过渡层的Al₂O₃陶瓷基片上发生沉积，形成具有高热导率的金刚石涂层。

对比实验的结果表明，使用上述含有金刚石相的复相薄膜作为沉积金刚石涂层的过渡层，可以显著地提高金刚石涂层对于Al₂O₃陶瓷基片的附着力。这是因为，含有金刚石相的过渡层中含有SiO₂氧化物相。因此，这一过渡层对Al₂O₃陶瓷基片的化学亲和力很高，从而确保了过渡层对基片具有较高的附着力。其次，过渡层中又含有相当数量的金刚石相，它们在金刚石涂层的沉积过程中将起到双重的作用。首先，它们将成为金刚石相继续生长的核心，使金刚石涂层得以继续生长；第二，过渡层中的金刚石相颗粒与金刚石涂层之间将形成强有力的键合，这使得金刚石涂层对Al₂O₃陶瓷基片具有了较高的附着力。

采用等离子体CVD技术在Al₂O₃陶瓷基片上制备含有金刚石相的复相过渡层，进而制备金刚石涂层的方法具有以下的优点：

(1)含有金刚石相的过渡层的采用，可大大提高金刚石涂层对于Al₂O₃陶瓷基片的附着力。这是因为，含有金刚石和SiO₂的复相过渡层巧妙地结合了对于Al₂O₃陶瓷基片和金刚石涂层分别具有亲和力的不同物相，而它们的存在将在基片与涂层之间起到粘结剂的作用，确保两者之间获得高的附着力。

(2)上述过渡层与金刚石涂层的制备技术较为简便，只是金刚石薄膜制备技术中通常采用的各种等离子体CVD技术。并且，由于过渡层的沉积与金刚石涂层的沉积这样两个步骤均使用了相同的沉积技术，因而使得整个金刚石涂层技术得到了大幅度的简化。

附图说明

图1是本发明制备的具有过渡层的金刚石涂层Al₂O₃陶瓷基片的示意图。

具体实施方式

例1

对欲施行金刚石涂层的Al₂O₃陶瓷基片进行清洗和对其进行金刚石粉研磨预处理。后者的作用是保证在过渡层的沉积过程中能够有足够数量的金刚石相核心生成。其次，将基片装入微波等离子体CVD薄膜沉积设备中，通入由H₂和八甲基环四硅氧烷(C₈H₂₄Si₄O₄)组成的反应气体。采用八甲基环四硅氧烷沉积过渡层的原因在于它能够提供复相过渡层沉积所需要的碳、硅、氧等元素。在微波等离子体作用下，反应气体中的H₂和八甲基环四硅氧烷将被激发和分解，并在Al₂O₃陶瓷基片上沉积出含有金刚石相和SiO₂的复相薄膜。然后，改变反应气体至由H₂和甲烷(CH₄)组成的混合气体，在Al₂O₃陶瓷基片上形成如图1所示的拥有含金刚石相的过渡层和金刚石涂层两层结构的复合涂层。在复相过渡层与金刚石涂层沉积时，5次实验所采用的工艺参量为表1所示。

表1 复相过渡层与金刚石涂层沉积的工艺参量

例2

对欲金刚石涂层的Al₂O₃陶瓷基片进行清洗和对其进行金刚石粉研磨预处理。然后，将基片装入热丝CVD金刚石薄膜沉积设备中，通入由H₂、CH₄、SiH₄和O₂组成的反应气体，其中，CH₄、SiH₄和O₂等气体的组合起到了提供复相过渡层沉积所需要的碳、硅、氧等元素的作用。在等离子体的作用下，混合气体将被激发和分解，并在加热的Al₂O₃陶瓷基片上沉积出含有金刚石相和SiO₂的复相薄膜。然后，改变反应气体至由H₂和甲烷(CH₄)组成的混合气体，沉积得到金刚石涂层。由此，也可以形成如图1所示的既含有复相过渡层、又含有金刚石涂层的金刚石涂层的Al₂O₃陶瓷基片。在复相过渡层与金刚石涂层沉积时，3次实验所采用的工艺参量为表2所示。

表2 复相过渡层与金刚石涂层沉积的工艺参量

Claims

1、一种金刚石涂层Al₂O₃电子陶瓷基片制备方法，其特征在于：首先采用等离子体CVD技术，制备一种含有金刚石相的复相过渡层，过渡层的制备是以含有碳、氢、硅、氧元素的气体混合物为反应气体，在Al₂O₃陶瓷基片上沉积出一层含有金刚石相和SiO₂的复相薄膜；然后再采用等离子体CVD技术，在复相薄膜上，进一步沉积出金刚石涂层；具体工艺为：

a、制备含有金刚石相的复相过渡层：采用等离子体CVD技术，以上述气体混合物为反应气体，反应气体中氢、碳、硅、氧各元素的比例为50～200∶1～4∶0.5～2∶0.5～2；将反应气体的压力调整至10～100乇的范围内，在被加热至700～1000℃的Al₂O₃陶瓷基片上沉积含有金刚石相和SiO₂的复相薄膜；在等离子体作用的条件下，上述气体混合物将产生出含有氢原子、碳-氢、硅-氧、碳-硅原子团的气体混合物，后者将在Al₂O₃陶瓷基片上实现沉积，而沉积产物将形成包含金刚石、SiO₂固相的复合薄膜，这样一种复相沉积物将可被作为进一步沉积金刚石涂层的过渡层；

b、制备金刚石涂层：在制备了上述含有金刚石及SiO₂的复相过渡层上，进一步采用等离子体CVD技术，以上述气体混合物为反应气体，反应气体中氢、碳元素的比例为50～200∶1～4，将混合气体的压力调整至10～100乇的范围内，在被加热至700～1000℃的Al₂O₃陶瓷基片上沉积单独含有金刚石相的金刚石涂层；在等离子体环境中，此气体混合物将在被加热的、形成了复相过渡层的Al₂O₃陶瓷基片上沉积而形成高热导率的金刚石涂层。

2、按照权利要求1所述的制备技术，其特征在于：所述的等离子体CVD技术，包括微波等离子体CVD技术、热丝CVD技术或射频等离子体CVD技术之一。