[发明专利]一种多能量耦合等离子体化学气相沉积法制备金刚石的方法

说明书

本发明公开了一种多能量耦合等离子体化学气相沉积法制备金刚石的方法，所述等离子体化学气相沉积法采用热丝、脉冲偏压电源和旋转磁场耦合作为复合能量源，热丝用于激发含碳气体产生初级等离子体，脉冲偏压用于对热丝产生的初级等离子体施加电场，使初级等离子体在电场的耦合作用下拉伸并形成覆盖区域更广的二级等离子体，旋转磁场作用于金刚石沉积基片的表面区域，将所述二级等离子体中的粒子能量进一步均化耦合，并提高等离子体中能够形成SP³的碳结构的粒子比例。本发明方法不仅能够稳定获得高质量的金刚石，而且对于沉积条件及工艺参数的控制要求相对较低，方法易于控制，调控宽容度高、适用面广，特别适于金刚石的工业化生产。

技术领域

本发明属于超硬材料的制备领域，具体涉及一种多能量耦合等离子体化学气相沉积法制备金刚石的方法。

背景技术

金刚石有很多制备方法，如热丝等离子、微波等离子、电弧等离子化学品气相沉积等。随着工业化的进行，人们发现使用中有部分问题，如热丝法成本便宜，但金刚石的质量不高，微波法质量高，但设备复杂，放大生产，降低成本较难；电弧炬法可以生产高质量单晶光学级金刚石，但是金刚石内应力较大，成本较高，成品率不足80%。

为了利用热丝成本低的优势，发明人在CN112030133A中提出了利用磁共振、热丝、直流耦合或者利用磁共振、热丝、高频耦合来制备高质量的金刚石，其虽然能够提高金刚石的沉积速度，但是，由于其利用磁共振，因此对反应气体的组分及比例，沉积气压（即真空度）、沉积温度等工艺参数的要求较为苛刻，若条件控制不佳，则无法实现共振，从而将导致能量无法耦合，那么沉积速度、金刚石的质量等将大幅下降。因此，该专利虽然在各项参数严格控制的情况下，具有好的效果，但由于参数控制严苛，容易出现参数波动导致能量无法耦合的情况，从而整体上存在失败率高，不适合工业化生产的问题。另外，该专利方法制备的金刚石在厚度上的均一性仍有待提高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种改进的金刚石的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多能量耦合等离子体化学气相沉积法制备金刚石的方法，所述等离子体化学气相沉积法采用热丝、脉冲偏压电源和旋转磁场耦合作为复合能量源，并且其中所述热丝用于激发含碳气体产生初级等离子体，所述脉冲偏压用于对热丝产生的初级等离子体施加电场，使初级等离子体在电场的耦合作用下拉伸并形成覆盖区域更广的二级等离子体，所述的旋转磁场作用于金刚石沉积基片的表面区域，将所述二级等离子体中的粒子能量进一步均化耦合，并提高等离子体中能够形成SP³的碳结构的粒子比例。

优选地，通过调节所述旋转磁场的磁场强度、旋转角速度使经旋转磁场耦合后的等离子体中的能够形成SP³的碳结构的粒子比例相比二级等离子体提高1倍至10000倍，从而能够很好的提高生产效率，提高能源利用率；进一步优选为2倍至5000倍；更进一步为3倍至3000倍。

优选地，进行金刚石沉积时，所述热丝电源功率设置为0.05~18kW；所述脉冲偏压电源的占空比设置为10~90%，频率设置为1~200kHz，偏压设置为1~1000V，功率设置为0.05~10kW；所述旋转磁场的磁场强度设置为1.3×10⁴~5.6×10⁷A/m，旋转角速度设置为0.1~720度/s。

根据一些优选实施方式，进行金刚石沉积时，所述热丝电源功率设置为0.05~10kW，所述脉冲偏压电源的功率设置为0.05~5kW，所述旋转磁场的磁场强度设置为1.3×10⁴~5.6×10⁷A/m。

进一步地，所述脉冲偏压电源的偏压设置为500~1000V。

进一步地，所述脉冲偏压电源的占空比设置为50~90%，频率设置为100~200kHz；所述磁场的旋转角速度设置为0.1~360度/s。