本发明专利技术公开了一种多元掺杂热丝化学气相沉积制备金刚石薄膜的方法及用于其中的反应气体输送装置。所述方法以硅、碳化硅或氮化硅陶瓷、硬质合金、以及高熔点金属材料(钨、钽、钼、钛等)为衬底，以CVD法为沉积手段，在反应气体氢气和丙酮(或丙酮和甲醇)蒸汽中同时添加含Si、含Si和含N、含Si和含B或含Si、含N和含B的有机化合物，形成多元掺杂体系；反应得到了亚微米或纳米级金刚石薄膜涂层，涂层厚度可在10～50μm之间调节。该薄膜具有耐磨、耐腐蚀、绝缘电阻高(不掺硼场合)、表面光滑、摩擦系数小、易研磨抛光等特点，即兼有微米金刚石和纳米金刚石涂层的双重优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种薄膜
的制备方法，具体涉及一种及反应气体输送装置。
技术介绍
化学气相沉积(简称CVD法,Chemical Vapor Deposition)金刚石薄膜具有各种优良的物理和化学性能，它的硬度极高，与金属和陶瓷间的摩擦系数很小，既有优异的导热性能，又有优良的化学稳定性。本征金刚石薄膜是良好的绝缘体，掺杂后是一种优良的半导体材料，此外，金刚石薄膜涂层的光学透过性也很好。目前，CVD金刚石技术已经得到实际应用，如工具领域的涂层模具、刀具以及耐磨器件，水处理电化学耐腐蚀阳极等。在CVD金刚石涂层模具和刀具的应用，薄膜的附着力和表面光洁度是关键因素。常规薄膜晶粒太大为数微米级的金刚石涂层，存在一定的内应力，导致涂层附着力下降，这种情况在刀具等外表面沉积金刚石涂层的场合尤为明显。因为CVD法沉积金刚石薄膜时的衬底温度很高，约 850°C左右，而金刚石的热膨胀系数较小，一般仅为衬底材料的1/3 1/4，冷却收缩后会在涂层产生较大的内应力(在刀具等外表面涂层场合，表现为拉应力；在模具内孔涂层场合， 表现为压应力)。此外，金刚石薄膜涂层中的非金刚石成份(如石墨或非晶碳)、空洞及缺陷等，会在涂层中产生“生长应力”，这些应力对薄膜附着力都会产生负面影响。另一方面， 常规薄膜涂层表面，由于金刚石的结晶习性，薄膜表面呈现高低凹凸不平，且金刚石硬度极高，研磨抛光非常困难，因而在涂层模具和耐磨器件等应用场合，研磨抛光的工作量很大。 中国专利技术专利(ZL01113027.X)采用常规和纳米金刚石涂层复合技术可以减少金刚石薄膜抛光工作量，但由于纳米金刚石涂层具有较大内应力，在抛光中会出现纳米涂层局部剥落的现象，在金刚石涂层刀具应用场合，薄膜表面粗糙使切削阻力增加，涂层容易剥落，刀具耐用度明显下降，对加工精度和表面光洁度也有不利影响。另外，在薄膜微细加工领域，金刚石薄膜表面凹凸不平，导致它的光刻分辨力难以提高，也一直阻碍着金刚石薄膜在微机电系统领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种及其中采用的反应气体输送装置。本专利技术的方法所制备的亚微米或纳米级金刚石薄膜涂层既具有常规薄膜金刚石的耐磨性，又比常规金刚石薄膜有更好的附着力和表面光洁度；涂层具有低摩擦系数，容易抛光等特点，使金刚石涂层更适合于各种应用场合，如涂层模具、刀具和耐磨器件以及金刚石薄膜微细加工等。为实现这样的目的，关键技术是如何既能减少金刚石涂层应力和增強涂层附着力，又能促进二次成核和生长，促进涂层表面平坦化。本专利技术的技术解决方案如下本专利技术涉及一种，所述方法包括将衬底材料预处理后，置于热丝化学气相沉积装置的反应室内，在其表面沉积金刚石薄膜，通入所述反应室中的反应气体包括氢气以及碳源气体，所述碳源气体掺杂有以下原子组合中的一种=Si、Si和N、Si和B、Si和N以及B原子。优选的，所述碳源气体只掺杂Si原子时，Si/C的原子比为O. I 3 100 ；所述碳源气体掺杂Si和N原子时，Si/C、N/C原子比均为O. I 3 100 ；所述碳源气体掺杂Si和B原子时，Si/C、B/C的原子比均为O. I 3 100 ；所述碳源气体掺杂Si和N以及B原子时，Si/C、N/C、B/C的原子比均为O. I 3 100。优选的，所述碳源为丙酮、或者为丙酮和甲醇的混合物，由氢气通过鼓泡法将碳源的蒸汽带出形成碳源气体输送至反应室。优选的，所述碳源气体只掺杂Si原子时，所述碳源气体为在碳源中掺入硅化合物而得；所述碳源气体掺杂Si和N原子时，所述碳源气体为在碳源中掺入硅化合物和氮化合物而得；所述碳源气体掺杂Si和B原子时，所述碳源气体为在碳源中掺入硅化合物和硼化合物而得；所述碳源气体掺杂Si和N以及B原子时，所述碳源气体为在碳源中掺入硅化合物、氮化合物和硼化合物而得；所述硅化合物、氮化合物、硼化合物与碳源互溶。优选的，所述硅化合物为四乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷或乙基三乙氧基硅烷；所述氮化合物为尿素；所述硼化合物为硼酸三甲酯。优选的，所述衬底材料为硬质合金、硅或碳化硅陶瓷。本专利技术还涉及一种用于上述的中的反应气体输送装置，所述反应气体输送装置包括保护气体输送通道、氢气输送通道以及与氢气存储器相连的碳源气体输送通道；所述碳源气体输送通道上近氢气存储器端起依次设置有第一阀门、碳源存储器以及第三流量控制器；所述碳源存储器上设置有鼓泡装置。所述碳源存储器内装有掺杂硅化合物、硅化合物和氮化合物、硅化合物和硼化合物或硅化合物、氮化合物和硼化合物的碳源优选的，所述第一阀门、碳源存储器之间设置有保护瓶，所述保护瓶与碳源存储器设置有防倒流阀；所述防倒流阀在沉积金刚石薄膜工况时是关闭的，其余工况下是开启的。本专利技术的工作原理为以在金刚石涂层中掺杂硅原子为基础，同时掺氮(或掺硼)，形成多元掺杂体系。掺杂硅原子时，由于硅原子和碳原子一样是4价的，它可以与碳键合形成C-Si键，但Si原子比C原子大许多，它的引入使金刚石薄膜生长产生缺陷，容易形成二次成核，正是这种在金刚石沉积过程不断产生的二次成核，使晶粒细化，形成亚微米级金刚石涂层结构，减少了晶粒间空洞，改变了涂层的应力状态，有利于附着力、绝缘性能和光洁度的提高。同时掺杂硅原子和氮原子，可以使金刚石晶粒更细更致密，可以达到纳米金刚石薄膜的程度；同时掺硅和硼时，可以使金刚石涂层具有导电性；同时掺硅、硼和氮，则可以使金刚石涂层为具有导电性的纳米金刚石薄膜涂层。本专利技术通过在反应气体中掺杂Si、Si和N、Si和B或Si、N和B原子来实现在金刚石涂层中掺杂Si、N和B等原子。反应气体中的Si/C原子太小，即Si原子太少，掺杂效果不明显；如果Si/C原子比太大，杂质硅原子太多，则金刚石薄膜涂层的质量(耐磨性等)会下降；类似地，N/C和B/C原子比也如此；因此本专利技术的反应气体中Si/C、N/C、B/C的原子比均调整为O. I 3 100。根椐常规的化学气相沉积工艺条件，碳源(甲烷或丙酮等)分子仅占氢气分子的I 3 100(摩尔比)，而掺杂原子(硅、硼、氮等)又只有碳原子的1%左右的数量级，即掺杂源仅为氢气的万分之一左右，由于气体比例相差悬殊，氢气、碳源材料和掺杂源均采用气体源，在实际生产中会很难实现；因此，本专利技术以氢气和丙酮(或丙酮、 甲醇混合液)为基本反应原料，同时将一定比例的含硅化合物、或同时含硅、含氮(含硼) 的化合物(根椐设定的Si/C、N/C或B/C原子比计算)溶解于丙酮中，或将这些化合物先溶解于甲醇，然后通过甲醇溶解于丙酮中；这些化合物与甲醇、丙酮有一定的结构相似性，互溶性好，丙酮和甲醇分子蒸发时，能按溶解的比例将其一起带到反应室。需要指出的是本专利技术在反应气体中添加的含硅、含氮(或含硼)化合物，不采用硅烷SiH4和氨气NH3(或硼烷B2H6)，这是因为硅烷为易爆物质，缺乏安全性。氨气具有腐蚀性，不利于环境保护和人体健康。而硼烷为有毒气体，对人体不利。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果I、本专利技术的气体流量和输送方式既方便于规模生产，又避免了有毒、易爆、易腐蚀气体掺杂源的使用。2、在金刚石涂层中掺杂硅原子，改变了涂层的应力状态，有利于附着力、绝缘性能和光洁度的提高。3、在金刚石涂层中同时掺杂硅原子和本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙方宏，张文骅，张志明，郭松寿，沈荷生，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海交友钻石涂层有限公司，
类型：发明
国别省市：
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