一種自支撐金剛石膜的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于化學氣相沉積金剛石膜技術領域，具體是一種自支撐金剛石膜的制備方法。
【背景技術】
[0002]化學氣相沉積(CVD)自支撐金剛石膜具有優異的物理和化學性能，因此在機械加工、熱沉領域、光學領域得到廣泛的應用，并在其他諸多高技術領域有著廣闊的應用前景。
[0003]目前工業化生產自支撐金剛石膜的方法主要有兩種:
第一種方法是:使用一定厚度(一般> 5_)的鉬圓片作為基片材料，采用熱絲CVD法、直流噴射等離子體CVD法、熱陰極等離子體CVD法、微波等離子體CVD法等進行金剛石膜的沉積。當金剛石膜達到所需厚度后結束沉積，冷卻過程中金剛石膜和鉬基片的收縮量存在較大的差異，會從基片上剝落下來，獲得自支撐的金剛石膜。這種方法的優點是:金剛石在鉬基片上有非常高的形核率，與其他基片材料相比形核時間較短；金剛石膜能夠自己剝落，無需外力或化學腐蝕；基片不會出現明顯的消耗并且可以重復使用。但是，這種方法一般適合于制備較厚的自支撐金剛石膜，在制備當金剛石膜較薄(< 0.5_)時，容易出現局部裂紋或貫穿性裂紋。所制備的自支撐膜的面積越大，裂紋出現的幾率越高。
[0004]第二種方法是:使用一定厚度(一般2-5mm)的Si單晶圓片作為基片材料，同樣采用熱絲CVD法、直流噴射等離子體CVD法、熱陰極等離子體CVD法、微波等離子體CVD法等進行金剛石膜的沉積。當金剛石膜達到所需厚度后結束沉積，使用硝酸和氫氟酸的混合溶液將Si完全腐蝕后獲得自支撐金剛石膜。這種方法的優點是:冷卻過程中因金剛石膜和Si基片的收縮量差別較小，因此能夠有效避免局部裂紋或貫穿性裂紋的出現，能夠制備較薄的自支撐金剛石膜。但是，使用Si做沉積自支撐金剛石膜的缺點有兩個方面:一是基片不可重復使用，增加了自支撐金剛石膜的制備成本；二是腐蝕Si基片時釋放的廢氣和產生的廢液容易對環境造成污染。
【發明內容】
[0005]本發明是針對目前采用CVD法使用鉬作為基片制備自支撐金剛石膜時容易出現裂紋，而使用Si作為基片時不可重復使用并容易造成環境污染的缺點，而提供的一種制備自支撐金剛石膜的方法。
[0006]本發明是通過如下技術方案實現的:
一種自支撐金剛石膜的制備方法，包括以下步驟:
1)鈦涂層制備:取厚度為3-5_的硅基片，用去離子水和丙酮分別超聲清洗干凈并用熱風吹干，使用磁控濺射方法或雙輝等離子體滲金屬方法，在硅基片的上表面及側表面上制備一層厚度為10-20 μ m的鈦金屬涂層；
2)鉬涂層制備:使用雙輝等離子體滲金屬方法，在硅基片上表面的鈦金屬涂層上再制備一層厚度為2-4 μ m的鉬金屬涂層； 3)金剛石膜的制備:使用粒度為3-10μm的金剛石粉研磨硅基片上表面的鉬金屬涂層表面，對鉬金屬涂層表面進行粗化處理，然后用去離子水和丙酮分別超聲清洗并用熱風吹干，最后采用化學氣相沉積法(CVD)在硅基片上表面的鉬金屬涂層表面制備金剛石膜；
4)酸洗:將制備了金剛石膜的硅基片浸泡在質量濃度為10-12%、溫度為50-60°C的草酸溶液中，去除硅基片上的鈦金屬涂層，使硅基片與金剛石膜分離；
5)后處理:使用拋光機研磨金剛石膜的形核面，去除殘留的金屬涂層(鈦、鉬金屬涂層)及碳化物，即獲得自支撐金剛石膜；清洗硅基片并回收后重復使用。
[0007]進一步的，在步驟I)的鈦涂層制備過程中，硅基片的上表面及側表面均暴露在等離子體中，使鈦金屬涂層將這些部分均勻覆蓋。
[0008]在步驟2)的鉬金屬涂層制備過程中，使用石墨環將硅基片套在中間，使鉬金屬涂層僅覆蓋在硅基片上表面的鈦金屬涂層上，避免硅基片側表面的鈦金屬涂層上被濺射上鉬金屬涂層。
[0009]在步驟3)的金剛石厚膜制備過程中，將涂有鈦金屬涂層和鉬金屬涂層的硅基片放置在帶凹槽的鉬模中，凹槽的直徑和深度與硅基片的直徑和厚度相同，從而使金剛石厚膜只在硅基片上表面的鉬金屬涂層上沉積，避免在硅基片側表面的鈦金屬涂層上沉積。金剛石厚膜的具體制備方法有:熱絲CVD法、直流噴射等離子體CVD法、熱陰極等離子體CVD法、微波等離子體CVD法。
[0010]本發明方法與現有技術相比，具有如下有益效果:
1)本發明中在硅基片表面預沉積鈦/鉬復合金屬涂層，鈦金屬涂層與硅基片形成化學鍵結合，鉬金屬涂層與鈦金屬涂層呈冶金結合，因此整個過渡層與硅基片能保持良好的結合強度，因鈦/鉬復合金屬涂層的厚度較小，金剛石膜沉積結束的冷卻過程中其收縮量較小，所以能夠避免自支撐金剛石膜中裂紋的出現；
2)本發明利用鉬金屬涂層表面的金剛石形核率高的特點，能夠縮短金剛石膜的沉積時間，同時能夠阻止碳原子向過渡層中長距離擴散，避免鈦涂層形成碳化物；
3)本發明中鈦金屬涂層的沉積使得自支撐金剛石膜的酸洗更加適合工業化生產，使用草酸代替硝酸和氫氟酸混合溶液即可腐蝕掉鈦涂層，再通過簡單的清洗即可實現硅基片的回收，為工業化生產降低了成本；
4)本發明中使用草酸酸洗鈦金屬涂層的產物為草酸鈦和氫氣，能夠避免硝酸和氫氟酸混合溶液腐蝕硅基片時釋放的廢氣和產生的廢液對環境造成的污染，此外，產物草酸鈦可以用作聚丙烯的成核劑。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明制備鈦金屬涂層的制造過程剖視示意圖；
圖2為本發明制備鉬金屬涂層的制造過程剖視示意圖；
圖3為本發明制備自支撐金剛石膜的制造過程剖視示意圖；
圖4為本發明去除鉬模后金剛石膜半成品剖視示意圖；
圖5為本發明經酸洗拋光去除硅基片和鈦、鉬金屬涂層的自支撐金剛石膜成品剖視示意圖。
[0012]圖中:1-硅基片、2-鈦金屬涂層、3-鉬金屬涂層、4-金剛石膜、5-石墨環、6-鉬模。
【具體實施方式】
[0013]以下結合附圖對本發明作進一步的描述:
如圖1至圖5所示，一種自支撐金剛石膜的制備方法，包括以下步驟:
1)鈦涂層制備:取厚度為3-5_的硅基片1，用去離子水和丙酮分別超聲清洗干凈并用熱風吹干，使用磁控濺射方法或雙輝等離子體滲金屬方法，在硅基片I的上表面及側表面上制備一層厚度為10-20 μ m的鈦金屬涂層2 ；
2)鉬涂層制備:使用雙輝等離子體滲金屬方法，在硅基片I上表面的鈦金屬涂層2上再制備一層厚度為2-4 μ m的鉬金屬涂層3 ；
3)金剛石膜的制備:使用粒度為3-10μ m的金剛石粉研磨硅基片I上表面的鉬金屬涂層3表面，對鉬金屬涂層3表面進行粗化處理，然后用去離子水和丙酮分別超聲清洗并用熱風吹干，最后采用化學氣相沉積法在硅基片I上表面的鉬金屬涂層3表面制備金剛石膜4 ;
4)酸洗:將制備了金剛石膜4的硅基片I浸泡在質量濃度為10-12%、溫度為50-60°C的草酸溶液中，去除硅基片I上的鈦金屬涂層2，使硅基片I與金剛石膜4分離；
5)后處理:使用拋光機研磨金剛石膜4的形核面，去除殘留的金屬涂層及碳化物，即獲得自支撐金剛石膜；清洗硅基片I并回收后重復使用。
[0014]具體實施時，在步驟I的鈦涂層制備過程中，硅基片I的上表面及側表面均暴露在等離子體中，使鈦金屬涂層2將這些部分均勻覆蓋。在步驟2的鉬金屬涂層制備過程中，使用石墨環5將硅基片I套在中間，使鉬金屬涂層3僅覆蓋在硅基片I上表面的鈦金屬涂層2上，避免硅基片I側表面的鈦金屬涂層2上被濺射上鉬金屬涂層3。在步驟3的金剛石膜4制備過程中，將涂有鈦金屬涂層2和鉬金屬涂層3的硅基片I放置在帶凹槽的鉬模6中，凹槽的直徑和深度與硅基片I的直徑和厚度相同，從而使金剛石膜4只在硅基片I上表面的鉬金屬涂層3上沉積，避免在硅基片I側表面的鈦金屬涂層2上沉積；金剛石膜4的具體制備方法有:熱絲CVD法、直流噴射等離子體CVD法、熱陰極等離子體CVD法、微波等離子體CVD 法。
【主權項】
1.一種自支撐金剛石膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)鈦涂層制備:取厚度為3-5_的硅基片(I)，用去離子水和丙酮分別超聲清洗干凈并用熱風吹干，使用磁控濺射方法或雙輝等離子體滲金屬方法，在硅基片(I)的上表面及側表面上制備一層厚度為10-20 μ m的鈦金屬涂層(2)； 2)鉬涂層制備:使用雙輝等離子體滲金屬方法，在硅基片(I)上表面的鈦金屬涂層(2)上再制備一層厚度為2-4 μ m的鉬金屬涂層(3)； 3)金剛石膜的制備:使用粒度為3-10μm的金剛石粉研磨硅基片(I)上表面的鉬金屬涂層(3)表面，對鉬金屬涂層(3)表面進行粗化處理，然后用去離子水和丙酮分別超聲清洗并用熱風吹干，最后采用化學氣相沉積法在硅基片(I)上表面的鉬金屬涂層(3)表面制備金剛石膜(4); 4)酸洗:將制備了金剛石膜(4)的硅基片(I)浸泡在質量濃度為10-12%、溫度為50-600C的草酸溶液中，去除硅基片(I)上的鈦金屬涂層(2)，使硅基片(I)與金剛石膜(4)分離； 5)后處理:使用拋光機研磨金剛石膜(4)的形核面，去除殘留的金屬涂層及碳化物，即獲得自支撐金剛石膜；清洗硅基片(I)并回收后重復使用。
2.根據權利要求1所述的一種自支撐金剛石膜的制備方法，其特征在于:在步驟I)的鈦涂層制備過程中，硅基片(I)的上表面及側表面均暴露在等離子體中，使鈦金屬涂層(2)將這些部分均勻覆蓋。
3.根據權利要求1所述的一種自支撐金剛石膜的制備方法，其特征在于:在步驟2)的鉬金屬涂層制備過程中，使用石墨環(5)將硅基片(I)套在中間，使鉬金屬涂層(3)僅覆蓋在硅基片(I)上表面的鈦金屬涂層(2 )上，避免硅基片(I)側表面的鈦金屬涂層(2 )上被濺射上鉬金屬涂層(3)。
4.根據權利要求1所述的一種自支撐金剛石膜的制備方法，其特征在于:在步驟3)中，金剛石膜(4)的制備方法有:熱絲CVD法、直流噴射等離子體CVD法、熱陰極等離子體CVD法、微波等離子體CVD法。
5.根據權利要求1所述的一種自支撐金剛石膜的制備方法，其特征在于:在步驟3)的金剛石膜(4)制備過程中，將涂有鈦金屬涂層(2)和鉬金屬涂層(3)的硅基片(I)放置在帶凹槽的鉬模(6)中，凹槽的直徑和深度與硅基片(I)的直徑和厚度相同，從而使金剛石膜(4)只在硅基片(I)上表面的鉬金屬涂層(3)上沉積，避免在硅基片(I)側表面的鈦金屬涂層(2)上沉積。
【專利摘要】本發明公開了一種自支撐金剛石膜的制備方法，屬于化學氣相沉積金剛石膜技術領域。本發明方法首先在硅基片上表面及側表面預沉積一層鈦金屬涂層，然后在含鈦金屬涂層的硅基片上表面再沉積一層鉬金屬涂層，再采用化學氣相沉積方法在預沉積鈦/鉬復合金屬涂層的硅基片上表面沉積金剛石膜，最后使用草酸溶液腐蝕樣品得到自支撐金剛石膜并回收硅基片重復使用。與現有技術相比，本發明具有的優點有：金剛石膜形核快，能縮短沉積時間；硅片可以重復使用，能降低生產成本；能夠避免常規酸腐蝕硅基片時造成的環境污染。
【IPC分類】C23C16-27, C23F1-44, C23C30-00
【公開號】CN104561925
【申請號】CN201510027177
【發明人】于盛旺, 高潔, 劉小萍, 鐘強, 黑鴻君, 申艷艷, 賀志勇
【申請人】太原理工大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月20日