[发明专利]一种自支撑金刚石膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学气相沉积金刚石膜技术领域，具体是一种自支撑金刚石膜的制备方法。

背景技术

化学气相沉积（CVD）自支撑金刚石膜具有优异的物理和化学性能，因此在机械加工、热沉领域、光学领域得到广泛的应用，并在其他诸多高技术领域有着广阔的应用前景。

目前工业化生产自支撑金刚石膜的方法主要有两种：

第一种方法是：使用一定厚度（一般＞5mm）的钼圆片作为基片材料，采用热丝CVD法、直流喷射等离子体CVD法、热阴极等离子体CVD法、微波等离子体CVD法等进行金刚石膜的沉积。当金刚石膜达到所需厚度后结束沉积，冷却过程中金刚石膜和钼基片的收缩量存在较大的差异，会从基片上剥落下来，获得自支撑的金刚石膜。这种方法的优点是：金刚石在钼基片上有非常高的形核率，与其他基片材料相比形核时间较短；金刚石膜能够自己剥落，无需外力或化学腐蚀；基片不会出现明显的消耗并且可以重复使用。但是，这种方法一般适合于制备较厚的自支撑金刚石膜，在制备当金刚石膜较薄（＜0.5mm）时，容易出现局部裂纹或贯穿性裂纹。所制备的自支撑膜的面积越大，裂纹出现的几率越高。

第二种方法是：使用一定厚度（一般2-5mm）的Si单晶圆片作为基片材料，同样采用热丝CVD法、直流喷射等离子体CVD法、热阴极等离子体CVD法、微波等离子体CVD法等进行金刚石膜的沉积。当金刚石膜达到所需厚度后结束沉积，使用硝酸和氢氟酸的混合溶液将Si完全腐蚀后获得自支撑金刚石膜。这种方法的优点是：冷却过程中因金刚石膜和Si基片的收缩量差别较小，因此能够有效避免局部裂纹或贯穿性裂纹的出现，能够制备较薄的自支撑金刚石膜。但是，使用Si做沉积自支撑金刚石膜的缺点有两个方面：一是基片不可重复使用，增加了自支撑金刚石膜的制备成本；二是腐蚀Si基片时释放的废气和产生的废液容易对环境造成污染。

发明内容

本发明是针对目前采用CVD法使用钼作为基片制备自支撑金刚石膜时容易出现裂纹，而使用Si作为基片时不可重复使用并容易造成环境污染的缺点，而提供的一种制备自支撑金刚石膜的方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种自支撑金刚石膜的制备方法，包括以下步骤：

1）钛涂层制备：取厚度为3-5mm的硅基片，用去离子水和丙酮分别超声清洗干净并用热风吹干，使用磁控溅射方法或双辉等离子体渗金属方法，在硅基片的上表面及侧表面上制备一层厚度为10-20 μm的钛金属涂层；

2）钼涂层制备：使用双辉等离子体渗金属方法，在硅基片上表面的钛金属涂层上再制备一层厚度为2-4μm的钼金属涂层；

3）金刚石膜的制备：使用粒度为3-10μm的金刚石粉研磨硅基片上表面的钼金属涂层表面，对钼金属涂层表面进行粗化处理，然后用去离子水和丙酮分别超声清洗并用热风吹干，最后采用化学气相沉积法（CVD）在硅基片上表面的钼金属涂层表面制备金刚石膜；

4）酸洗：将制备了金刚石膜的硅基片浸泡在质量浓度为10-12%、温度为50-60℃的草酸溶液中，去除硅基片上的钛金属涂层，使硅基片与金刚石膜分离；

5）后处理：使用抛光机研磨金刚石膜的形核面，去除残留的金属涂层（钛、钼金属涂层）及碳化物，即获得自支撑金刚石膜；清洗硅基片并回收后重复使用。

进一步的，在步骤1）的钛涂层制备过程中，硅基片的上表面及侧表面均暴露在等离子体中，使钛金属涂层将这些部分均匀覆盖。

在步骤2）的钼金属涂层制备过程中，使用石墨环将硅基片套在中间，使钼金属涂层仅覆盖在硅基片上表面的钛金属涂层上，避免硅基片侧表面的钛金属涂层上被溅射上钼金属涂层。

在步骤3）的金刚石厚膜制备过程中，将涂有钛金属涂层和钼金属涂层的硅基片放置在带凹槽的钼模中，凹槽的直径和深度与硅基片的直径和厚度相同，从而使金刚石厚膜只在硅基片上表面的钼金属涂层上沉积，避免在硅基片侧表面的钛金属涂层上沉积。金刚石厚膜的具体制备方法有：热丝CVD法、直流喷射等离子体CVD法、热阴极等离子体CVD法、微波等离子体CVD法。

本发明方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

1）本发明中在硅基片表面预沉积钛/钼复合金属涂层，钛金属涂层与硅基片形成化学键结合，钼金属涂层与钛金属涂层呈冶金结合，因此整个过渡层与硅基片能保持良好的结合强度，因钛/钼复合金属涂层的厚度较小，金刚石膜沉积结束的冷却过程中其收缩量较小，所以能够避免自支撑金刚石膜中裂纹的出现；