[发明专利]一种双频射频等离子体沉积单晶金刚石的方法

说明书

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，H_α，H_β，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。

技术领域

本发明属于金刚石化学气相沉积技术领域，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。

背景技术

金刚石性能优异，在诸多领域都有很大的应用潜力(May P W，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(Liang Q,etal.Journal of Superhard Materials,35(2013)195-213)和直流电弧等离子体法(J.Liu et al,Diamond and Related Materials,46(2014)42-51)。自提高生长速度之后(Chih-shiue Yan et al，Proceedings of the NationalAcademy of Sciences,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(Zuo YG et al,Diamond and RelatedMaterials,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，MeasurementScience and Technology，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。

发明内容

本发明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。