[发明专利]双频电感耦合射频等离子体喷射沉积金刚石的方法

说明书

技术领域

本发明属于金刚石气相沉积制备技术领域，特别是提供了一种双频电感耦合射频等离子体喷射沉积金刚石的方法。

背景技术

金刚石具有优异的物理化学性质,如良好的导热特性,超高硬度,高耐压,化学稳定性好以及宽的光透过范围和频率响应范围等,在电子、机械、航天、军事、光学、医疗等各个领域应用广泛(May P W，Physical and Engineering Sciences，1766(2000)473-495)。早期的人造金刚石主要采用高温高压催化合成，而上个世纪八十年代取得技术突破的化学气相沉积法到本世纪初也逐渐成为制备金刚石的重要技术之一(Balmer R S，等，Journal of Physics:Condensed Matter 36(2009):364221)。

化学气相沉积法制备金刚石通常采用含碳气体(通常采用甲烷)和氢气作为前驱体，通过高温热激发或者电磁场激发产生活性粒子，在固体表面(衬底)发生化学反应生成金刚石。目前采用化学气相沉积技术制备金刚石的方法很多，包括热丝法，燃烧火焰法，微波等离子体法，直流电弧等离子体法等(Teraji T,physica status solidi，13(2006)3324-3357)。微波等离子体法(Q.Liang，等，Diamond&Related Materials18(2009)698-703)和直流电弧等离子体法(G.C.Chen,等，Diamond&Related Materials16(2007)477-480)是当下被人非常青睐的两种方法，并且均已实现了由多晶金刚石到单晶金刚石颗粒的成功制备。目前，微波单晶金刚石生长速度约20-100um/h(华盛顿卡内基研究所，CN 102084492 A)，而直流电弧等离子体生长金刚石单晶速度可达30um/h(陈广超等,CN200510086580.1以及CN200710064728.0)。尽管二者已经为沉积金刚石提供了两种有效的化学气相沉积技术路线，但仍存在一些问题，比如：微波等离子体法沉积面积小，设备昂贵且核心技术被英、美、日等国家垄断；直流电弧等离子体法，耗气量大，且等离子体不纯净，含有源于电极的金属杂质，不利于高质量金刚石的生长。

射频激发等离子体，是基于电磁场振荡激发的等离子体，所激发的等离子体密度大、能量高，而且无极放电，没有电极金属杂质的污染，因此等离子体成分纯净，是制备高质量金刚石合适的方法。电感耦合射频等离子体应用于材料制备的研究多集中在氮化硼膜、类金刚石膜、氧化镁、氮化碳膜等材料体系，而应用在金刚石制备的研究报道并不多，国际上，仅在上世纪日本(Meyer D E等,Journal of Materials Research,3(1988)1397-1403)，德国(Peter Awakowicz，等，Diamond&Related Materials，6(1997)1816-1823)，美国(Cappelli M,等，Journal of Materials Research，5(1990),2326-2333.)等国家科研人员对单频率射频等离子体化学气相沉积法制备金刚石做过相关工作，但随后未有跟进研究。而国内在上世纪九十年代有过采用频率为13.56MHz的射频电感偶合等离子体制备金刚石的报道(姬荣斌,等,厦门大学学报(自然科学版)，3(1995)363-367)，此后很少有后续的相关报道。以往用于制备金刚石的射频等离子体法的主要问题有以下几个方面：(1)耗气量大，由于采用鞘气冷却方法，导致冷却气体的用量极高；(2)难以兼顾“避免趋肤效应”与“提高分解率”的矛盾，高频率有利于反应气体的分解，但是会导致电磁场和热场趋近于反应场边缘(趋肤效应)，而使反应场内部的气体难于离化，造成反应气体温度低、有效反应基元少的致命问题，低频率虽然避免了趋肤效应，但是反应气体整体离化困难，同样也会造成有效反应基元少的致命问题；(3)所制备的晶体细小，非金刚石成分多，由于反应腔压强低，且由于大量鞘气的强烈冷却作用，金刚石晶粒尺寸很难长大，并伴随着大量的非金刚石成分。

基于上述认识，亟待发明一种新的射频等离子体方法，合理解决以往技术中的问题，使射频等离子体方法能够发挥优势，应用于金刚石的制备中。

发明内容

本发明目的在于提供了一种双频电感耦合射频等离子体喷射沉积金刚石的方法，为等离子体增强化学气相沉积制备金刚石提供一条可行的技术途径。