[发明专利]多元掺杂热丝化学气相沉积制备金刚石薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜技术领域的制备方法，具体涉及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反应气体输送装置。

背景技术

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℃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。中国发明专利(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。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供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其中采用的反应气体输送装置。本发明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。本发明的技术解决方案如下：

本发明涉及一种多元掺杂热丝化学气相沉积制备金刚石薄膜的方法，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0.1～3∶100；

所述碳源气体掺杂Si和N原子时，Si/C、N/C原子比均为0.1～3∶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0.1～3∶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0.1～3∶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。