一种双频射频等离子体沉积单晶金刚石的方法技术

一种双频射频等离子体沉积单晶金刚石的方法，属于金刚石化学气相沉积技术领域。沉积腔的背底真空0.01～10Pa。反应气体为Ar，2～5slm，H2，1～3slm，CH4/H2，0.5～3％。单晶金刚石基底机械固定在钼沉积台上。样品表面在等离子体轴线以下0～30mm，距离等离子体发生器出口0～50mm。通入反应气体并激发等离子体，高频功率维持在1～3kW，频率为13.56MHz，低频功率维持在5～15kW，频率为4MHz。压强维持在5000～10000Pa，基底温度为700～1100℃。等离子体中有C2，CH，Hα，Hβ，Ar等基团；制备出表面积为5mm×5mm，厚度为180～330微米的单晶金刚石膜。优点在于，为化学气相沉积单晶金刚石提供一条新的途径。

【技术实现步骤摘要】
一种双频射频等离子体沉积单晶金刚石的方法
本专利技术属于金刚石化学气相沉积
，特别是提供了一种双频射频等离子体沉积单晶金刚石的方法，可应用于单晶金刚石的沉积。
技术介绍
金刚石性能优异，在诸多领域都有很大的应用潜力(MayPW，Science，319(2008)1490-1491)。其主要制备方法有高温高压法和化学气相沉积法。高温高压法模拟金刚石的自然生成环境，目前已得到稳定的技术工艺。该方法通常需要触媒来提高转化效率，降低反应温度和压强，因此金刚石产品含有杂质元素，因此产品一般呈黄色。且通常得到的是颗粒，应用时需要进一步加工。化学气相沉积法依靠各种手段激发等离子体得到活性基团进行金刚石的沉积，不需要触媒，杂质含量较高温高压法要低，可以达到完全透明的状态(吕反修等，热处理，28(2013)1-12)，并可以直接获得层状产品，在高质量金刚石单晶制备方面有很大的优势。目前，化学气相沉积法的主要制备方法是微波等离子体化学气相法(LiangQ,etal.JournalofSuperhardMaterials,35(2013)195-213)和直流电弧等离子体法(J.Liuetal,DiamondandRelatedMaterials,46(2014)42-51)。自提高生长速度之后(Chih-shiueYanetal，ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,99(2002)12523-12525)，微波法受到越来越多的重视，但是其设备核心技术被外国公司所垄断。直流电弧法由于使用金属阳极喷口喷出等离子体，等离子体不断刻蚀阳极，对沉积产品造成污染。射频等离子体化学气相沉积法通过线圈感应激发等离子体，不存在电极污染的问题，有利于提高沉积质量。自20世纪80年代起，科研人员就射频法沉积金刚石设计了多种工艺，目前能够使用射频法进行多晶金刚石的沉积(ZuoYGetal,DiamondandRelatedMaterials,73(2017)67-71)。射频法沉积金刚石仍有问题需解决：使用高频电源(如13.56MHz)容易激发等离子体，但趋肤效应较强，沉积速率很低；使用低频电源(如4MHz)趋肤效应弱，沉积速率有很大提高，但离化率低，并需要大量的鞘气(J.O.Berghaus，MeasurementScienceandTechnology，15(2002)161-164)。且目前射频法只能进行多晶金刚石的沉积。因此，射频法化学气相沉积工艺设备亟待改进，以解决上述问题，使射频法能够用于单晶金刚石的沉积，为单晶金刚石化学气相沉积提供一种新的思路和方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双频射频等离子体沉积单晶金刚石的方法，用于沉积单晶金刚石，为化学气相沉积单晶金刚石提供一条新的途径。本专利技术沉积使用双频射频电感耦合等离子体沉积设备。沉积中控制的工艺参数为：沉积腔的背底真空0.01～10Pa。反应气体为Ar，2～5slm，H2，1～3slm，CH4/H2，0.5～3％。单晶金刚石基底机械固定在钼沉积台上。样品表面在等离子体轴线以下0～30mm，距离等离子体发生器出口0～50mm。通入反应气体并激发等离子体，高频功率维持在1～3kW，频率为13.56MHz，低频功率维持在5～15kW，频率为4MHz。压强维持在5000～10000Pa，基底温度为700～1100℃。等离子体中有C2，CH，Hα，Hβ，Ar等基团；制备出表面积为5mm×5mm，厚度为180～330微米的单晶金刚石膜。本专利技术的优点和积极效果本专利技术的优点在于，在5000～10000Pa压强范围内产生并维持等离子体，制备了表面积为5mm×5mm，厚度为数百微米的单晶金刚石膜。附图说明图1为沉积过程中典型的等离子体OES数据图。谱图结果表明，等离子体中主要发光基团为C2，CH，Hα，Hβ，Ar。图2为样品A拉曼测试结果，特征峰为1332cm-1，说明样品成分主要为金刚石。图3为样品A的扫描电子显微镜放大1000倍测试结果，样品表面是典型的单晶金刚石金字塔生长形貌图。图4为样品B拉曼测试结果，特征峰为1332cm-1，说明样品成分主要为金刚石相图。图5为样品B扫描电子显微镜放大5000倍测试结果，样品表面是典型的单晶金刚石台阶生长形貌图。图6为样品B生长截面SEM结果图。具体实施方式实施例1单晶金刚石基底尺寸为5mm×5mm×1mm，表面为(400)面。使用混合的硫酸和硝酸(5:1)加热到300摄氏度清洗15min，然后使用去离子水和酒精分别超声清洗10min，吹干。放置在双频射频等离子体沉积设备中，抽真空至10Pa以下，通入Ar和H2，使用高频激发等离子体，低频提高等离子体能量密度，升高压强至7kPa。待等离子体稳定后，加入CH4。Ar流量3.5slm，H2流量1.3slm，CH4流量20sccm。沉积温度为700℃。沉积140h，得到样品A。实施例2单晶金刚石基底尺寸为5mm×5mm×1mm，表面为(400)面。使用混合的硫酸和硝酸(5:1)加热到300摄氏度清洗15min，然后使用去离子水和酒精分别超声清洗10min，吹干。放置在双频射频等离子体沉积设备中，抽真空至10Pa以下，通入Ar和H2，使用高频激发等离子体，低频提高等离子体能量密度，升高压强至7kPa。待等离子体稳定后，加入CH4。Ar流量3.5slm，H2流量1.3slm，CH4流量20sccm。沉积温度为750℃。沉积138h，得到样品B。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双频射频等离子体沉积单晶金刚石的方法，沉积使用双频射频电感耦合等离子体沉积设备；其特征在于，沉积中控制的工艺参数为：沉积腔的背底真空0.01～10Pa，反应气体为Ar，2～5slm，H2，1～3slm，CH4/H2，0.5～3％；单晶金刚石基底机械固定在钼沉积台上，样品表面在等离子体轴线以下0～30mm，距离等离子体发生器出口0～50mm；通入反应气体并激发等离子体，高频功率维持在1～3kW，频率为13.56MHz，低频功率维持在5～15kW，频率为4MHz；压强维持在5000～10000Pa，基底温度为700～1100℃；等离子体中有C2，CH，Hα，Hβ，Ar基团；制备出表面积为5mm×5mm，厚度为180～330微米的单晶金刚石膜。

【技术特征摘要】
1.一种双频射频等离子体沉积单晶金刚石的方法，沉积使用双频射频电感耦合等离子体沉积设备；其特征在于，沉积中控制的工艺参数为：沉积腔的背底真空0.01～10Pa，反应气体为Ar，2～5slm，H2，1～3slm，CH4/H2，0.5～3％；单晶金刚石基底机械固定在钼沉积台上，样品表面在等离子体轴线以下0～30mm，距离等离子体...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈广超，李佳君，刘浩，李震睿，徐锴，陈正佳，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11