專利名稱：在氧化鋁陶瓷上進(jìn)行金剛石薄膜定向生長的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在氧化鋁陶瓷襯底上實現(xiàn)金剛石薄膜定向生長的方法，屬無機非金屬材料化學(xué)氣相沉積工藝領(lǐng)域。
相對其它面來說，金剛石的(100)晶面具有最好的表面平整度和低的缺陷密度。如果能實現(xiàn)金剛石薄膜在氧化鋁陶瓷上的[100]定向生長，無疑能使得到的復(fù)合基片在平整度和缺陷密度等指標(biāo)上有改善，從而有利于充分發(fā)揮金剛石的優(yōu)異性能。但是目前報道較多的金剛石薄膜異質(zhì)定向生長主要集中在[100]定向的硅單晶襯底上，這主要是因為硅單晶的結(jié)構(gòu)與金剛石相同，都屬于立方晶系，且晶格參數(shù)也與金剛石相近，晶格失配小，因而在硅上實現(xiàn)金剛石膜的定向生長相對于其它襯底而言難度小一些。如Stoner等1992年首次利用偏壓增強微波等離子體化學(xué)氣相沉積(bias-enhancedMPCVD)在Si(100)上通過過渡層β-SiC形成了具有良好織構(gòu)的金剛石膜(Appl.Phys.Lett.60(1992)p698)。1993年，Jiang等人采用偏壓增強MPCVD方法在Si(100)上生長[100]定向金剛石薄膜獲得成功(Appl.Phys.Lett.62(1993)p3438)。對于氧化鋁陶瓷而言，其主晶相為α-Al2O3，屬于三方晶系，且晶格參數(shù)和熱膨脹系數(shù)也與金剛石相距甚遠(yuǎn)。另外，氧化鋁陶瓷的性質(zhì)十分穩(wěn)定，通常條件下不能像硅襯底那樣與碳反應(yīng)生成碳化物。因此在氧化鋁陶瓷上實現(xiàn)金剛石膜的定向生長要比在硅襯底上困難得多，至今為止還沒有在陶瓷襯底上定向生長金剛石薄膜的報道。
本發(fā)明的技術(shù)方案中，考慮到由于氧化鋁陶瓷性質(zhì)與金剛石相距甚遠(yuǎn)，不容易在其表面直接形成有一定取向的金剛石晶核，故要作適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，也即是進(jìn)行離子注入處理。
本發(fā)明的特征是采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行金剛石薄膜定向沉積，其工藝步驟如下a.在未沉積金剛石膜之前，采用C12+對氧化鋁陶瓷進(jìn)行碳離子注入處理，然后在含有95％氮氣和5％氫氣的混合氣氛下進(jìn)行微波等離子體高溫退火處理；b.在上述經(jīng)處理的氧化鋁陶瓷上進(jìn)行金剛石膜的定向沉積，即將氧化鋁陶瓷放置在微波等離子體輻射的石英管反應(yīng)室中，反應(yīng)室抽真空并送入分析純的氫氣和分析純的甲烷的混合氣體，其中甲烷占有體積百分?jǐn)?shù)為0.5-5％，氧化鋁陶瓷的溫度保持在500-900℃之間，在特殊裝置中進(jìn)行氣相沉積金剛石薄膜；在沉積金剛石薄膜過程中采用循環(huán)生長工藝，即采用金剛石膜生長與氫等離子體刻蝕循環(huán)交替的生長模式，通過控制甲烷流量開關(guān)來實現(xiàn)。
循環(huán)生長工藝，即在晶粒生長過程中通入控制甲烷和氫氣作為反應(yīng)氣體，實現(xiàn)金剛石薄膜的生長，隨后關(guān)閉甲烷氣體開關(guān)，只通入氫氣，利用氫等離子體對晶粒的刻蝕作用，如此反復(fù)進(jìn)行多次，其每個循環(huán)過程持續(xù)時間為8小時，晶粒生長期與氫等離子體刻蝕期的時間比率為6∶2。由于氫等離子體對非[100]取向晶粒的刻蝕作用遠(yuǎn)大于[100]取向晶粒，因此，通過這種方法，可以盡量減少薄膜中非[100]取向晶粒的數(shù)量，而[100]取向晶粒則由于較弱的刻蝕作用而優(yōu)先沉積，即在氫離子的刻蝕作用下，[100]取向晶粒實現(xiàn)優(yōu)先生長，非[100]取向晶粒由于選擇定則逐漸減少，當(dāng)薄膜長到一定厚度時最終實現(xiàn)了金剛石薄膜的[100]定向生長。
氧化鋁陶瓷事先進(jìn)行離子注入處理，然后放入含有氮氫混合氣體的微波等離子體中高溫退火，其目的就是可在氧化鋁陶瓷上得到一層具有一定取向得金剛石晶核。
高溫退火處理，是在微波等離子體化學(xué)氣相沉積的專用設(shè)備中進(jìn)行，采用磁控管產(chǎn)生微波，通過控制微波功率對置于石英反應(yīng)管內(nèi)的已注入碳離子的氧化鋁陶瓷進(jìn)行退火處理，退火溫度為1050℃，最佳退火時間為45分鐘。
本發(fā)明方法的特點和效果是能在氧化鋁陶瓷上獲得金剛石薄膜[100]晶面的定向生長，并能提高金剛石膜/氧化鋁復(fù)合基片的綜合性能。
圖2為

圖1中A-A截面圖。
圖3為本發(fā)明方法制得的樣品的X射線衍射分析圖。
圖1中短路活塞18的作用是調(diào)節(jié)入射波和反射波的相位差，從而使微波功率集中在石英反應(yīng)管10的中心，有利于反應(yīng)和沉積。截止波導(dǎo)9設(shè)有冷卻水進(jìn)出口19，以防止波導(dǎo)管受熱過劇。
氧化鋁陶瓷基片退火完畢后，進(jìn)入金剛石薄膜的生長過程，也同樣在上述的MPCVD設(shè)備中進(jìn)行，工藝步驟也與退火過程十分相似，只是將反應(yīng)氣體改為氫氣和甲烷，且具體條件也有些變動。本裝置中的石英反應(yīng)管10實際上相當(dāng)于一個反應(yīng)室或沉積室。其過程是通過氣體流量計控制氫氣和甲烷的濃度分別為100標(biāo)準(zhǔn)毫升/分和1sccm標(biāo)準(zhǔn)毫升/分，混合后經(jīng)反應(yīng)氣體入口11，進(jìn)入石英反應(yīng)沉積室10。在沉積金剛石薄膜和生長時控制反應(yīng)室的氣壓在3.8kPa，沉積室內(nèi)氧化鋁陶瓷基片15的溫度為800℃。另外，在沉積金剛石膜的過程中引入循環(huán)生長工藝，即采用金剛石生長與氫等離子體刻蝕循環(huán)交替的生長模式，通過控制甲烷流量的開關(guān)實現(xiàn)[100]定向生長和H等離子體選擇刻蝕的交替進(jìn)行，每個循環(huán)過程持續(xù)8小時，晶粒薄膜生長期與刻蝕期的時間比率為6∶2。
所制得的氧化鋁陶瓷上金剛石薄膜，其表面平整度較高。從樣品的X射線衍射分析(XRD)可以看出，其(400)衍射峰的強度很高，而其他取向的衍射峰的強度都很低，說明薄膜中絕大部分晶粒是[100]取向的，即所得金剛石薄膜為[100]定向薄膜，參見圖3。
權(quán)利要求
1.一種在氧化鋁陶瓷上進(jìn)行金剛石薄膜定向生長的方法，其特征在于，采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行金剛石薄膜定向沉積，其工藝步驟如下a.在未沉積金剛石膜之前，采用C12+對氧化鋁陶瓷進(jìn)行碳離子注入處理，然后在含有95％氮氣和5％氫氣的混合氣氛下進(jìn)行微波等離子體高溫退火處理；b.在上述經(jīng)處理的氧化鋁陶瓷上進(jìn)行金剛石膜的定向沉積，即將氧化鋁陶瓷放置在微波等離子體輻射的石英管反應(yīng)室中，反應(yīng)室抽真空并送入分析純的氫氣和分析純的甲烷的混合氣體，其中甲烷占有體積百分?jǐn)?shù)為0.5-5％，氧化鋁陶瓷的溫度保持在500-900℃之間，在特殊裝置中進(jìn)行氣相沉積金剛石薄膜；在沉積金剛石薄膜過程中采用循環(huán)生長工藝，即采用金剛石膜生長與氫等離子體刻蝕循環(huán)交替的生長模式，通過控制甲烷流量開關(guān)來實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在氧化鋁陶瓷上進(jìn)行金剛石薄膜定向生長的方法，其特征在于，所述的微波等離子體高溫退火處理，其方法是在微波等離子體化學(xué)氣相沉積的專用設(shè)備中進(jìn)行，采用磁控管產(chǎn)生微波，通過控制微波功率對置于石英反應(yīng)管內(nèi)的已注入碳離子的氧化鋁陶瓷進(jìn)行退火處理，退火溫度為1050℃，最佳退火時間為45分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在氧化鋁陶瓷上進(jìn)行金剛石薄膜定向生長的方法，其特征在于，所述的送入石英管反應(yīng)室中的混合氣體中，氫氣的流量濃度為100標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘，甲烷的流量濃度為1標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘，反應(yīng)室內(nèi)的氣壓為3.8KPa(千帕)，氧化鋁陶瓷的溫度為800℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在氧化鋁陶瓷上進(jìn)行金剛石薄膜定向生長的方法，其特征在于，所述的循環(huán)生長工藝，即通過控制甲烷流量的開關(guān)實現(xiàn)金剛石[100]面定向和氫等離子體刻蝕的交替進(jìn)行，其每個循環(huán)過程持續(xù)時間為8小時，金剛石晶體生長期與氫等離子體刻蝕期的時間比率為6∶2。
全文摘要
本發(fā)明述及一種在氧化鋁陶瓷上進(jìn)行金剛石薄膜定向生長的方法，其特征在于采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行金剛石薄膜定向沉積，其工藝步驟如下a.在未沉積金剛石膜之前，采用碳離子注入處理法
文檔編號C23C16/27GK1458129SQ03114880
公開日2003年11月26日 申請日期2003年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月14日
發(fā)明者夏義本, 王林軍, 方志軍, 莫要武, 簧曉琴, 戴雯琦, 文黎星, 張文廣 申請人:上海大學(xué)