一种密堆积纳米金刚石薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种密堆积纳米金刚石薄膜。该密堆积纳米金刚石薄膜是利用旋涂种晶工艺，通过热丝化学气相沉积系统制备，该方法有效地降低了薄膜晶界中非晶碳的含量，制备了具有密堆积结构的纳米金刚石薄膜。堆积结构的纳米金刚石薄膜。

【技术实现步骤摘要】
一种密堆积纳米金刚石薄膜及其制备方法
(一)

[0001]本专利技术涉及一种密堆积纳米金刚石薄膜及其制备方法。
(二)
技术介绍

[0002]金刚石的禁带宽度为5.5eV，热导率高达22W/(cm
·
K)，远高于第三代半导体材料SiC和GaN。因此，金刚石在高频、高功率电子器件领域有着极为重要的应用前景。
[0003]目前，通过化学气相沉积法或离子注入向金刚石中掺入硼得到的p型金刚石薄膜已经在废水处理、医疗等方面实现了应用，而金刚石的n型掺杂仍然是实现其在半导体领域应用亟待解决的难题。纳米金刚石薄膜由于其纳米晶粒与非晶碳相复合的独特结构，具备较好的n型掺杂潜力；在我们的授权专利ZL201210594869.4和ZL201510219422.2中，通过在薄膜中注入磷离子或氧离子，获得了迁移率较高的n型纳米金刚石薄膜；但是，非晶碳相为无序结构，纳米金刚石薄膜晶界中大量存在的非晶碳相对载流子散射作用明显，使得传统的n型纳米金刚石薄膜的载流子迁移率仍然较低。在我们申请的专利CN 108660429 B和CN 108660432B中，通过人工打磨与超声震荡相结合的种晶方式，调整化学气相沉积工艺，制备了具有纳米晶粒密堆积的金刚石薄膜，薄膜中各晶粒之间形成界面，非晶碳晶界的含量显著降低，n型导电性能良好。在该专利中，种晶决定了薄膜的形核率，对于获得密堆积结构极为重要。之前使用的人工打磨与超声震荡结合的种晶方式存在人为误差大，生长重复性不高，很难控制后续生长的薄膜微结构等问题，因此亟需发展一种新的种晶方法。r/>[0004]本专利以单晶硅为衬底，专利技术了一种旋涂种晶工艺，通过热丝化学气相沉积系统，制备了具有密堆积结构的纳米金刚石薄膜。对实现金刚石的n型掺杂具有重要意义。
(三)
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种旋涂法种晶工艺制备的密堆积纳米金刚石薄膜，将不同制备方法得到的不同粒径的纳米金刚石粉末悬涂到衬底上，再通过热丝化学气相沉积系统制备非晶碳晶界含量低的，具有密堆积结构的纳米金刚石薄膜的方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术提供一种密堆积纳米金刚石薄膜，所述密堆积纳米金刚石薄膜按如下方法制备：
[0008](1)旋涂液配置：将粒径为3nm
–
1μm(优选3
‑
50nm)的金刚石粉末、胶粘剂和活性剂均匀分散于有机溶剂中，得到旋涂液；所述金刚石粉末与活性剂的质量比为100:5
ꢀ‑
10(优选100:6)；所述有机溶剂的体积以所述金刚石粉末的质量计为0.3
‑
0.5mL/mg(优选0.35
‑
0.4mL/mg，特别优选0.38mL/mg)；所述胶粘剂与所述有机溶剂的体积比为1：20
‑
40(优选1：38)；所述活性剂为溴化十六烷基三甲铵、聚二烯丙基二甲基氯化铵、环氧丙醇、十八烷基二甲基苄基氯化铵中的一种或两种以上的混合物；
[0009](2)旋涂种晶：在单晶硅片表面旋涂步骤(1)所述的旋涂液，所述旋涂包括15
‑
20个循环(优选20个循环)，每个循环为1000rpm旋涂10s后3000rpm旋涂30s；得到表面涂布有一
层致密的种晶层的硅片；
[0010](3)热处理：将步骤(2)所述的表面涂布有一层致密的种晶层的硅片置于管式炉中，在氩气保护气氛中500
‑
800℃热处理8
‑
20min(优选700℃热处理10min)，得到热处理后的硅片；
[0011](4)将步骤(3)所述的热处理后的硅片作为衬底，以丙酮作为碳源进行热丝化学气相沉积；得到所述密堆积纳米金刚石薄膜。
[0012]进一步，步骤(1)中所述金刚石粉末一般为纳米金刚石粉末，在本专利技术的实施例中分别为W3金刚石粉末(120000目，粒径为～36nm，破碎法制得)、N3金刚石粉末(粒径为～3
‑
5nm，纯度为98％，爆轰法制得，含有一定石墨)或YKJ金刚石粉末(粒径为200～500nm，由不规则的多晶金刚石破碎法所得)。
[0013]进一步，为方便分散防止团聚，步骤(1)中所述胶粘剂和所述活性剂先分别分散于有机溶剂中再混合。
[0014]进一步，步骤(1)中所述胶粘剂为聚乙烯醇、环氧树脂、聚醋酸乙烯酯中的一种或两种以上的混合物，本专利技术的一个实施例中为环氧树脂。
[0015]进一步，步骤(1)中所述活性剂为溴化十六烷基三甲铵。本专利技术所选择的表面活性剂同时满足技术方案所需的两个要求：1、能通过活性剂分子吸附在金刚石颗粒表面，通过相同的末端基造成相同极性之间的排斥，从而达到防止纳米金刚石颗粒团聚的目的；2、热稳性较差，能在后续的热处理过程中分解挥发。
[0016]进一步，步骤(1)中所述有机溶剂为二甲亚砜、丙酮、乳酸乙酯中的一种或两种以上的混合溶剂，在本专利技术的一个实施例中为丙酮。本专利技术所选择的有机溶剂同时满足技术方案所需的三个要求：1、与活性剂以及粘结剂之间保有较好的相容性，2、能保证表面活性剂的活性，3、最后要在热处理后完全去除。
[0017]进一步，步骤(2)中所述单晶硅片在旋涂前还进行了如下预处理：
[0018]切割成20
×
20mm大小，置于丙酮中超声清洗(10min)，氮气枪吹干。
[0019]具体地，步骤(4)中所述热丝化学气相沉积按如下方法操作：所述丙酮由流量为60
‑
100sccm(优选80sccm)的氢气鼓泡带入到热丝化学气相沉积设备的反应室中，同时还通入流量为100
‑
300sccm的纯氢气(优选200sccm)，生长功率为1800
ꢀ‑
2400W(优选2200W)，控制生长压力为1.8
‑
2.0KPa(优选1.8KPa)，生长时间为45
‑
60min(优选60min)，衬底温度保持在600
‑
700℃(在本专利技术的一个实施例中为650℃)，在生长结束后，停止通入碳源，在纯氢气气氛中以1V/min的速率降低功率至0，得到所述密堆积纳米金刚石薄膜。所得薄膜晶粒尺寸在10
‑
30nm，晶粒之间密堆积形成界面，非晶碳含量极少。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要体现在：1、采用旋涂法对衬底进行预处理，相较于打磨法操作简单，重复性高，易于控制；2、发展了采用多种尺寸和规格的纳米金刚石颗粒悬涂衬底获得密堆积纳米金刚石薄膜的工艺；3、采用热丝化学气相沉积方法，能快速大面积的制备纳米金刚石薄膜；4、采用该工艺制备得到的纳米晶粒密堆积金刚石薄膜，晶粒之间形成界面，非晶碳晶界含量极少。
(四)附图说明
[0021]图1为实施例1中种晶粉末为W3粉末(粒径为～36nm，破碎法制得)时，旋涂种晶后
硅衬底对应的场发射扫描电镜(FESEM)图；
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种密堆积纳米金刚石薄膜，其特征在于所述密堆积纳米金刚石薄膜按如下方法制备：(1)旋涂液配置：将粒径为3nm
–
1μm的金刚石粉末、胶粘剂和活性剂均匀分散于有机溶剂中，得到旋涂液；所述金刚石粉末与活性剂的质量比为100:5
‑
10；所述有机溶剂的体积以所述金刚石粉末的质量计为0.3
‑
0.5mL/mg；所述胶粘剂与所述有机溶剂的体积比为1：20
‑
40；所述活性剂为溴化十六烷基三甲铵、聚二烯丙基二甲基氯化铵、环氧丙醇、十八烷基二甲基苄基氯化铵中的一种或两种以上的混合物；(2)旋涂种晶：在单晶硅片表面旋涂步骤(1)所述的旋涂液，所述旋涂包括15
‑
20个循环，每个循环为1000rpm旋涂10s后3000rpm旋涂30s；得到表面涂布有一层致密的种晶层的硅片；(3)热处理：将步骤(2)所述的表面涂布有一层致密的种晶层的硅片置于管式炉中，在氩气保护气氛中500
‑
800℃热处理8
‑
20min，得到热处理后的硅片；(4)将步骤(3)所述的热处理后的硅片作为衬底，以丙酮作为碳源进行热丝化学气相沉积；得到所述密堆积纳米金刚石薄膜。2.如权利要求1所述的密堆积纳米金刚石薄膜，其特征在于：步骤(1)中所述金刚石粉末为纳米金刚石粉末。3.如权利要求2所述的密堆积纳米金刚石薄膜，其特征在于：纳米金刚石粉末为W3金刚石粉末、N3金刚石粉末或YKJ金刚石粉末。4.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓君，郑玉浩，唐彬杰，陈成克，李晓，蒋梅燕，鲁少华，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：