本發(fā)明屬于金剛石薄膜制備,具體涉及一種液相脈沖輝光放電提高金剛石膜沉積速率的裝置及方法。
背景技術(shù):
1、金剛石具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能,在力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等方面表現(xiàn)出優(yōu)異特性,尤其是金剛石薄膜因其獨(dú)特的性能在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在金剛石薄膜沉積技術(shù)發(fā)展的早期,人們開始認(rèn)識到其缺點(diǎn)是金剛石薄膜沉積效率低,20世紀(jì)80年代以來,改進(jìn)金剛石薄膜沉積設(shè)備以增強(qiáng)薄膜的沉積速率一直是金剛石薄膜沉積技術(shù)研究的核心課題。
2、目前金剛石薄膜制備廣泛使用的方法是以氣體為原料,通過直流、微波等方式激發(fā)產(chǎn)生等離子體進(jìn)行薄膜沉積。然而,由于其原料供給為氣體狀態(tài),物質(zhì)密度較低,很難提高金剛石薄膜成膜率,使得薄膜沉積速率較低且質(zhì)量較難達(dá)到應(yīng)用要求。因此,通過液相放電產(chǎn)生等離子體進(jìn)行薄膜沉積的方法引起人們的關(guān)注,這種方法以液相為原料,具有較高的等離子體密度。
3、特別對于一些摻雜的金剛石薄膜,其生長速度緩慢,往往達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求,因此需要一種以更高速率生長高質(zhì)量金剛石的技術(shù)。且以往的化學(xué)氣相沉積設(shè)備在等離子體產(chǎn)生時會釋放熱量導(dǎo)致襯底熔化,往往需要復(fù)雜的冷卻設(shè)備。
4、液相等離子體沉積金剛石薄膜技術(shù)是一項(xiàng)新興等離子體技術(shù),目前國內(nèi)外研究較少。1938年美國matheson?lorne等人在專利(us2263443a)中提出一種電弧裝置,用于液態(tài)烴熱解生產(chǎn)乙炔氣體,有效提高了乙炔的產(chǎn)生率,但并未闡明氣體物質(zhì)是通過何種機(jī)制分解,從方法原理角度來看,有許多不明確的地方。
5、2006年日本hitotoshi?murase等人在專利(us8653404b2)中創(chuàng)造性地提出利用微波輝光放電作為液相等離子來源,能夠有效提高液相中等離子體密度,但并未具體闡述液相等離子體在薄膜或其他物質(zhì)制備等方面的應(yīng)用。
6、2017年日本harada?yohei等人公布了一種在含有碳源的液相中產(chǎn)生等離子體,從而在襯底上生長金剛石薄膜的裝置(jp2017251689a),根據(jù)此液相等離子體法,金剛石膜沉積速度可比氣相微波設(shè)備提高100倍以上,這種方法在一定程度上解決了金剛石薄膜沉積速率低的問題,但相對于脈沖輝光放電,薄膜沉積速率仍相對較低。不同于使用微波電極作為放電電源,脈沖放電等離子體密度更高且離化更充分。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明為解決上述問題,提出了一種在液相中通過脈沖及微波輔助輝光放電設(shè)備提高金剛石薄膜沉積速率的裝置,本裝置能夠有效提高薄膜的沉積速率且能夠保證金剛石薄膜在液相中沉積的穩(wěn)定性及連續(xù)性。
2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
3、一種液相脈沖輝光放電制備金剛石膜的裝置,其特征在于:裝置中設(shè)置一高功率雙極脈沖輝光放電電源,脈沖輝光放電電源設(shè)置在微波諧振反應(yīng)腔體上部區(qū)域;所述反應(yīng)腔腔體下端設(shè)置微波產(chǎn)生系統(tǒng)和與其連通的用于沉積金剛石薄膜的液相反應(yīng)容器。
4、進(jìn)一步地,所述脈沖輝光放電電源的兩極分別連接陰極升降桿和陽極升降桿,兩桿中間設(shè)置一絕緣升降系統(tǒng)。
5、進(jìn)一步地,所述微波諧振反應(yīng)腔左端開設(shè)有氣體進(jìn)氣口,連接壓力表;氣體出氣口設(shè)置在腔體右端,連接真空泵。
6、進(jìn)一步地,所述液相反應(yīng)容器下端設(shè)置一微波電極,中間位置放置陰極升降桿、陽極升降桿、陰極和陽極,陰極升降桿和陰極相連接的,陽極升降桿與襯底支架和陽極相連接的;襯底支架表面安裝有樣品固定鉬片,陰極與襯底支架間為輝光放電產(chǎn)生的等離子體球。
7、進(jìn)一步地,所述微波電極下端連接一微波產(chǎn)生系統(tǒng)為電極提供微波,該系統(tǒng)包括模式轉(zhuǎn)換器、三螺釘阻抗調(diào)配器、波導(dǎo)及微波電源。
8、進(jìn)一步地,所述微波諧振反應(yīng)腔上蓋位置設(shè)置四個真空觀察窗。該裝置還包括液相測溫計(jì),所述液相測溫計(jì)與液相反應(yīng)容器連接。
9、進(jìn)一步地,所述液相反應(yīng)容器整體材質(zhì)為石英,液相反應(yīng)容器內(nèi)部涂敷納米級鐵氧體吸波材料,襯底支架材料為鎢、鈮或鉬,陰陽極系統(tǒng)由鉭陰極與銅陽極構(gòu)成,微波電極材料是鎢。
10、一種采用如上所述裝置液相脈沖輝光放電制備金剛石薄膜的方法,其特征在于,該方法是在一個含有金剛石液相碳源的容器內(nèi),通過微波電極及陰陽極在液相中輝光放電產(chǎn)生等離子體,等離子體激發(fā)液相金剛石溶液形成高密度化學(xué)活性基團(tuán),在所述襯底上沉積形成金剛石薄膜,容器內(nèi)液體包括:金剛石碳源甲醇或乙醇及h2o,在所述襯底上形成金剛石薄膜,所述液體中還可加入硼源b2o3,用于形成摻硼金剛石薄膜。
11、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下有益效果:
12、1.?相對于氣相直流輝光放電產(chǎn)生等離子體沉積金剛石薄膜的方法,液相前驅(qū)體離化率更高,具有更高的等離子體密度,能夠兼顧薄膜的沉積速率及質(zhì)量。另外,氣相直流設(shè)備往往會因高溫高速氣流對襯底造成嚴(yán)重的熱沖擊,造成襯底的熔化,往往需要安裝復(fù)雜的冷卻設(shè)備,本發(fā)明使用液相作為碳源的同時可以自然地冷卻襯底,不會使設(shè)備發(fā)生熱損傷,具有簡單的設(shè)備配置。
13、2.?相對于氣相或液相微波輝光放電產(chǎn)生等離子體沉積金剛石薄膜的方法,脈沖電源下的陰陽極輝光放電效率更高,電子溫度和液體溫度相對較高,等離子體的離化更充分,使得金剛石薄膜沉積具有更高的沉積速率及質(zhì)量。
14、3.?本發(fā)明在液相脈沖輝光放電制備金剛石薄膜的基礎(chǔ)上添加微波電極,能夠有效預(yù)防陰陽極突然失效導(dǎo)致的滅輝問題,保證薄膜沉積的連續(xù)性、穩(wěn)定性。另外,微波電極產(chǎn)生的等離子區(qū)與陰陽極產(chǎn)生的等離子區(qū)重合,使該區(qū)域具有更高的等離子體密度,從而提高薄膜的沉積速率及質(zhì)量。
15、4.?本發(fā)明在結(jié)構(gòu)設(shè)置上有許多優(yōu)點(diǎn):使用高功率雙極脈沖輝光放電電源,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的電壓和電流控制且具有高功率密度,能夠滿足沉積設(shè)備的高負(fù)載需求;在襯底支架表面添加一鉬片用于固定樣品,解決了以往樣品在液相中僅通過重力固定容易發(fā)生位置偏移的問題;腔體內(nèi)部涂敷納米級鐵氧體吸波材料,能消除微波放電發(fā)出的電磁波對陰陽極放電的干擾,改善腔體效應(yīng);在腔體上蓋設(shè)置四個真空觀察窗,可用于觀察薄膜生長過程中各個位置的等離子體狀態(tài)。
16、綜上所述,本發(fā)明配置簡單,設(shè)計(jì)合理,通過液相中的施加脈沖電壓的陰陽極及微波電極輝光放電形成高密度的等離子區(qū),能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石薄膜的高速生長,解決了以往直流設(shè)備熱穩(wěn)定性低及微波設(shè)備需要提高微波功率才能提高金剛石薄膜沉積速率的問題,同時襯底置于液相中可以自然冷卻不易發(fā)生熔化,不需要額外的冷卻設(shè)備,這對于設(shè)備的穩(wěn)定性有了更大的改善。
1.一種液相脈沖輝光放電制備金剛石膜的裝置,其特征在于:裝置上部設(shè)置一高功率雙極脈沖輝光放電電源,脈沖輝光放電電源設(shè)置在微波諧振反應(yīng)腔體上部區(qū)域;所述反應(yīng)腔腔體下端設(shè)置微波產(chǎn)生系統(tǒng)和與其連通的用于沉積金剛石薄膜的液相反應(yīng)容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液相脈沖輝光放電制備金剛石膜的裝置,其特征在于:所述脈沖輝光放電電源的兩極分別連接陰極升降桿和陽極升降桿,兩桿中間設(shè)置一絕緣升降系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液相脈沖輝光放電制備金剛石膜的裝置,其特征在于:所述微波諧振反應(yīng)腔左端開設(shè)有氣體進(jìn)氣口,連接壓力表;氣體出氣口設(shè)置在腔體右端,連接真空泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液相脈沖輝光放電制備金剛石膜的裝置,其特征在于:所述液相反應(yīng)容器下端設(shè)置一輔助微波電極,中間位置放置陰極升降桿、陽極升降桿、陰極和陽極,陰極升降桿和陰極相連接的,陽極升降桿與襯底支架和陽極相連接的;襯底支架表面安裝有樣品固定鉬片,陰極與襯底支架間為輝光放電產(chǎn)生的等離子體球。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液相脈沖輝光放電制備金剛石膜的裝置,其特征在于:所述微波電極下端連接一微波產(chǎn)生系統(tǒng),該系統(tǒng)包括模式轉(zhuǎn)換器、三螺釘阻抗調(diào)配器、波導(dǎo)及微波電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液相脈沖輝光放電制備金剛石膜的裝置,其特征在于:所述微波諧振反應(yīng)腔上蓋位置設(shè)置四個真空觀察窗;該裝置還包括液相測溫計(jì),所述液相測溫計(jì)與液相反應(yīng)容器連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種液相脈沖輝光放電制備金剛石膜的裝置,其特征在于:所述液相反應(yīng)容器整體材質(zhì)為石英,液相反應(yīng)容器內(nèi)部涂敷納米級鐵氧體吸波材料,襯底支架材料為鎢、鈮或鉬,陰陽極系統(tǒng)由鉭陰極與銅陽極構(gòu)成,微波電極材料是鎢。
8.一種采用權(quán)利要求1所述裝置液相脈沖輝光放電制備金剛石膜的方法,其特征在于,在一個含有金剛石液相碳源的容器內(nèi),通過施加脈沖電源的陰陽極及微波電極在液相中輝光放電產(chǎn)生等離子體,等離子體激發(fā)液相金剛石溶液形成高密度化學(xué)活性基團(tuán),在所述襯底上沉積形成金剛石薄膜,容器內(nèi)液體包括:金剛石碳源甲醇或乙醇及h2o,在所述襯底上形成金剛石薄膜,所述液體中還可加入硼源b2o3,用于形成摻硼金剛石薄膜。