CN115747752A - 衬底的预处理方法及金刚石膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金刚石膜制备领域，具体公开了一种衬底的预处理方法及金刚石膜的制备方法。衬底的预处理方法包括：清洗衬底，然后干燥；将衬底放入真空室内，通入氩气，利用等离子体对衬底进行轰击清洗；对衬底进行磁控溅射镀膜，时间为10~60min，膜厚约30~100nm；将处理后的衬底放入金刚石微粉/无水水乙醇悬浊液中超声接种；超声清洗、吹干，备用；金刚石膜的制备方法为使用上述衬底的预处理方法所得预处理后的衬底沉积金刚石。该发明克服了机械研磨和普通超声接种的缺点，提高金刚石形核的速率、密度、质量，为高品质金刚石膜的生长提供了良好的前提条件。在金刚石膜沉积的过程中，采用的低碳浓度也进一步提升了金刚石膜的质量。
Description
技术领域
本发明属于金刚石膜制备领域，具体涉及衬底的预处理方法及金刚石膜的制备方法。
背景技术
金刚石独特的晶体结构，决定了其具有众多的优异物理化学性质，是一种典型的多功能材料，在能源、催化，传感器、精密加工等诸多高新技术领域有良好的应用前景。然而天然金刚石储量极少且价格昂贵，多为颗粒状，常用于首饰等奢侈品消费领域；高温高压法制备的金刚石杂质较多，且难以掺杂，多为颗粒状，多用于磨料模具领域，难以满足金刚石在高新技术领域的实际需求。
化学气相沉积法（CVD）是制备高品质金刚石膜的有效方法，尤其是微波化学气相沉积法（MPCVD）凭借其等离子体密度大、无电极污染等优势，成为制备高品质金刚石膜的首选方案，然而制备高品质金刚石膜并非易事，其质量受多种因素的影响，尤其是形核的好坏直接决定了金刚石膜质量的高低。对衬底预处理是增强形核密度与质量的最常用、最重要的方法。
现有金刚石膜的制备方法中常采用机械研磨、超声处理等工艺对衬底进行预处理，这些技术的随机性较大，特别是机械研磨，难以保证处理的一致性，导致制备出的金刚石膜质量存在一定的差异性，并且机械研磨易造成衬底的破裂，导致一定的浪费。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种衬底的预处理方法。
本发明另一目的在于提供一种金刚石膜的制备方法。
为实现本发明目的，具体技术方案如下：
一种衬底的预处理方法，包括以下步骤：
S1.清洗衬底，然后干燥；
S2.将衬底放入真空室内，通入氩气，利用等离子体对衬底进行轰击清洗；
S3.对衬底进行磁控溅射镀膜，靶材采用高纯石墨靶，控制氩气流量为20~100sccm，气压为0.5~2Pa，衬底温度为50~250℃，沉积速率为1~4nm/min，时间为10~60min，膜厚30~100nm；
S4.将处理后的衬底放入金刚石微粉/无水水乙醇悬浊液中，超声接种10~30min；
S5.超声清洗、吹干，备用。
优选地，步骤S1中，所述衬底选用硅、二氧化硅、钛中的一种。
优选地，步骤S1中，所述清洗过程具体为：先使用去离子水、洗涤剂除去衬底表面的灰尘和油污，再使用丙酮超声10~20min，
优选地，步骤S2中，氩气流量为5~10sccm。
优选地，步骤S4中，金刚石微粉/无水水乙醇悬浊液的固液比为2.5~10g：100ml。
优选地，步骤S5中，超声清洗具体为：依次用丙酮、无水乙醇、去离子水对衬底超声清洗5~15min。
本发明还公开了一种金刚石膜的制备方法，使用上述衬底的预处理方法所得预处理后的衬底沉积金刚石。
优选地，沉积气氛为氢气和甲烷，所述氢气和甲烷的体积比为100：1.5~2.5，沉积压强为9~21 kPa，沉积温度为800~920℃。
相对现有技术，本发明的有益效果在于：
（1）本发明创新地将镀膜、超声接种等工艺结合起来预处理衬底，在金刚石沉积前，用磁控溅射镀膜法，在衬底表面镀一层类金刚石膜，之后对处理后的衬底进行超声接种，又可将大量金刚石微粉镶入衬底表面，根据晶体形核理论，在形核前期，这些镶入的金刚石微粉可充当形核的晶核，高形核速率，并且衬底被刻蚀出的大量缺陷又可提供金刚石形核所需的高自由能位置，极大提升形核位置密度。
（2）该发明克服了机械研磨和普通超声接种的缺点，提高金刚石形核的速率、密度、质量，为高品质金刚石膜的生长提供了良好的前提条件。在金刚石膜沉积的过程中，采用的低碳浓度也进一步提升了金刚石膜的质量。
（3）本发明工艺流程简单，适合大面积工业推广。
附图说明
图1为本发明实施例工艺流程图。
图2为本发明实施例1所得金刚石膜拉曼图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例提供一种金刚石膜的制备方法，包括以下步骤：
S1.选用单晶硅为衬底，先使用去离子水、洗涤剂去除衬底表面的灰尘和油污，再使用丙酮超声15min，超声后用烘干箱烘干；
S2.将烘干后的衬底放入真空室内，通入氩气流量为5sccm，利用等离子体对基片进行轰击清洗；
S3.使用高纯石墨做为靶材，通入氩气流量为60sccm，气压为0.5Pa，溅射功率为100W，基底温度为100℃，沉积时间为25min，膜厚约50nm。
S4.对超声接种后的衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗5min；
S5.将处理后的衬底放入5g金刚石微粉与100ml无水水乙醇超声接种8min；
S6.将清洗后的衬底用干燥空气吹干备用；
S7.将步骤S6吹干的衬底放进微波等离子体化学气相沉积设备中，通入200sccm氢气，待压强升至2kPa时，开启微波，调节功率及压强，使温度示数为850℃，压强为14kPa，通入4sccm的甲烷，沉积20h，金刚石样品拉曼如图2所示。从图中可以看出，制备的样品在1332cm-1处有尖锐的金刚石特征峰D峰出现，无明显的非晶碳G峰出现，表明制备的金刚石品质较高。
实施例2
本实施例提供一种金刚石膜的制备方法，包括以下步骤：
S1.选用单晶硅为衬底，先使用去离子水、洗涤剂去除衬底表面的灰尘和油污，再使用丙酮超声15min，超声后用烘干箱烘干；
S2.将烘干后的衬底放入真空室内，通入氩气流量为5sccm，利用等离子体对基片进行轰击清洗；
S3.使用高纯石墨做为靶材，通入Ar流量为100sccm，气压为2Pa，溅射功率为100W，基底温度为100℃，沉积时间为25min，膜厚约50nm。
S4.对超声接种后的衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗5min；
S5.将处理后的衬底放入5g金刚石微粉与100ml无水水乙醇超声接种8min；
S6.将清洗后的衬底用干燥空气吹干备用；
S7.将步骤S6吹干的衬底放进微波等离子体化学气相沉积设备中，通入200sccm氢气，待压强升至2kPa时，开启微波，调节功率及压强，使温度示数为850℃，压强为14kPa，通入4sccm的甲烷，沉积20h，得金刚石膜。
对比例1
本对比例提供一种金刚石膜的制备方法，包括以下步骤：
S1.选用单晶硅为衬底，先使用去离子水、洗涤剂去除衬底表面的灰尘和油污，再使用丙酮超声15min，超声后用烘干箱烘干；
S2.将烘干后的衬底放入真空室内，通入氩气流量为5sccm，利用等离子体对基片进行轰击清洗；
S3.使用高纯石墨做为靶材，通入Ar流量为60sccm，气压为5Pa，溅射功率为100W，基底温度为100℃，沉积时间为25min，膜厚约50nm。
S4.对超声接种后的衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗5min；
S5.将处理后的衬底放入5g金刚石微粉与100ml无水水乙醇超声接种8min；
S6.将清洗后的衬底用干燥空气吹干备用；
S7.将步骤S6吹干的衬底放进微波等离子体化学气相沉积设备中，通入200sccm氢气，待压强升至2kPa时，开启微波，调节功率及压强，使温度示数为850℃，压强为14kPa，通入4sccm的甲烷，沉积20h，得金刚石膜。
对比例2
本对比例提供一种等离子体干法刻蚀与超声接种工艺结合起来预处理衬底的方式，来制备金刚石膜，包括以下步骤：
S1.选用单晶硅为衬底，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水对衬底进行超声清洗，然后吹干；
S2.将步骤S1清洗吹干后的硅衬底放进微波等离子体化学气相沉积系统中，关闭仓门，打开真空泵对腔体抽真空，待压强到达0.01Pa后，通入400sccm的氧气，待压强升至2kPa后，打开微波，调节功率使温度为400℃，压强20kPa，刻蚀60min；
S3.将步骤S2等离子刻蚀后的衬底放入5g、W0.25金刚石微粉和100ml无水乙醇的悬浊液中进行超声接种30min；
S4.依次用丙酮、无水乙醇、去离子水对超声接种后的衬底进行清洗5min，然后将清洗后的衬底吹干；
S5.将步骤S4干燥后的衬底放进化学气相沉积系统中，待压强变为0.01Pa后，通入200sccm氢气、待压强升至2kPa时，开启微波，调节功率及压强，使温度示数为850℃，压强为14kPa，通入4sccm的甲烷，沉积20h，得金刚石膜。
对比例3
本对比例提供一种金刚石膜的制备方法，选用单晶硅为衬底，不进行预处理，直接进行沉积：
通入200sccm氢气、待压强升至2kPa时，开启微波，调节功率及压强，使温度示数为850℃，压强为14kPa，通入4sccm的甲烷，沉积20h，得金刚石膜。
测试实施例
本实施例对实施例1/2和对比例1/2/3所得预处理后的衬底和金刚膜进行测试，所得数据见表1所示。可以看出本发明方法制得的金刚石膜的质量较优异。
表1
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围之内。
Claims (8)
1.一种衬底的预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.清洗衬底，然后干燥；
S2.将衬底放入真空室内，通入氩气，利用等离子体对衬底进行轰击清洗；
S3.对衬底进行磁控溅射镀膜，靶材采用高纯石墨靶，控制氩气流量为20~100sccm，气压为0.5~2Pa，衬底温度为50~250℃，沉积速率为1~4nm/min，时间为10~60min，膜厚30~100nm；
S4.将处理后的衬底放入金刚石微粉/无水水乙醇悬浊液中，超声接种10~30min；
S5.超声清洗、吹干，备用。
2.如权利要求1所述的衬底的预处理方法，其特征在于，步骤S1中，所述衬底选用硅、二氧化硅、钛中的一种。
3.如权利要求1所述的衬底的预处理方法，其特征在于，步骤S1中，所述清洗过程具体为：先使用去离子水、洗涤剂除去衬底表面的灰尘和油污，再使用丙酮超声10~20min。
4.如权利要求1所述的衬底的预处理方法，其特征在于，步骤S2中，氩气流量为5~10sccm。
5.如权利要求1所述的衬底的预处理方法，其特征在于，步骤S4中，金刚石微粉/无水水乙醇悬浊液的固液比为2.5~10g：100ml。
6.如权利要求1所述的衬底的预处理方法，其特征在于，步骤S5中，超声清洗具体为：依次用丙酮、无水乙醇、去离子水对衬底超声清洗5~15min。
7.一种金刚石膜的制备方法，其特征在于，使用权利要求1~6任一项所述衬底的预处理方法所得预处理后的衬底沉积金刚石。
8.如权利要求7所述的金刚石膜的制备方法，其特征在于，沉积气氛为氢气和甲烷，所述氢气和甲烷的体积比为100：1.5~2.5，沉积压强为9~21 kPa，沉积温度为800~920℃。
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