本发明专利技术公开了一种化学气相沉积制备硅掺杂微纳复合金刚石薄膜的方法；首先采用含硅有机化合物作为硅掺杂源，采用热丝化学气相沉积法在衬底表面制备硅掺杂金刚石薄膜，然后原位沉积不掺杂微米金刚石薄膜，以制备硅掺杂复合金刚石薄膜。与现有技术相比，本发明专利技术可以更加精确地控制碳源或硅掺杂源和碳源混合溶液的流量并实现定量掺杂，硅掺杂复合金刚石薄膜既具有优异的附着性能，又具有极高的表面硬度和耐磨损性能，适用于对金刚石薄膜的附着性能和耐磨损性能综合要求很高的各类应用场合。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种；首先采用含硅有机化合物作为硅掺杂源，采用热丝化学气相沉积法在衬底表面制备硅掺杂金刚石薄膜，然后原位沉积不掺杂微米金刚石薄膜，以制备硅掺杂复合金刚石薄膜。与现有技术相比，本专利技术可以更加精确地控制碳源或硅掺杂源和碳源混合溶液的流量并实现定量掺杂，硅掺杂复合金刚石薄膜既具有优异的附着性能，又具有极高的表面硬度和耐磨损性能，适用于对金刚石薄膜的附着性能和耐磨损性能综合要求很高的各类应用场合。【专利说明】
本专利技术涉及薄膜
，具体涉及一种。
技术介绍
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)金刚石涂层具有近似于天然金刚石的高硬度(9000~10000HV)、高弹性模量、低摩擦系数、良好的耐磨损性能、较低的热膨胀系数、极高的热导率以及良好的表面化学稳定性等优异性能，从上世纪80年代初在异质基体上成功合成金刚石涂层至今，CVD金刚石无论从生长理论、制备方法、制备质量以及性能表征，还是从后续加工技术以及应用研究方面都取得了巨大的进展，从而使其作为耐磨减摩及耐冲蚀涂层在切削刀具、拉拔模具、耐磨器件和耐流体冲蚀器件领域具有广阔的应用前景。CVD金刚石薄膜在机械化工领域的应用中主要承受的是摩擦磨损或冲蚀磨损，在大多数试验或工业应用条件下，金刚石薄膜主要的失效机理是薄膜与基体之间的分离和剥落，这主要就是因为金刚石薄膜和基体材料之间的附着力不足造成的，硅掺杂技术的采用可以有效改善 金刚石薄膜与衬底之间的附着性能。经对现有技术的文献检索发现，目前尚未有关于硅掺杂金刚石薄膜沉积技术的专利公开，中国专利“化学气相沉积制备掺硼导电金刚石薄膜方法”(CN200910045950)提出了一种化学气相沉积掺硼导电金刚石薄膜的方法，采用了无毒的硼酸三甲酯作为硼掺杂源，通过冰水混合物对硼酸三甲酯和丙酮的混合溶液进行恒温，以控制碳源流量，近似实现定量掺硼，但是在0°C下混合溶液的饱和蒸汽压仍然较高，在不通过氢气的情况下，受下游管道压力状态的影响可能也会蒸发逸出，必须在下游设置隔离阀，但是固态析出的硼源仍旧可能造成隔离阀的堵塞，此外，用作恒温冰水混合物需要频繁更换，难以保证长期稳定工作的需求。硅掺杂方法与硼掺杂方法具有一定的共性，同样存在上述问题。硅掺杂金刚石薄膜制备过程中由于有较多的硅元素存在，因此会降低制备的金刚石薄膜的纯度，因此硅掺杂金刚石薄膜的硬度和耐磨性相对于普通微米金刚石薄膜有所下降，在不考虑附着性能的情况下，硅掺杂金刚石薄膜的摩擦磨损率或冲蚀磨损率会大于传统不掺杂微米金刚石薄膜。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足和缺陷，提供一种，可以更加精确地控制碳源(或硅源和碳源的混合溶液)流量并实现定量掺杂，硅掺杂复合金刚石薄膜既具有优异的附着性能，又具有极高的硬度和耐磨损性能，适用于对金刚石薄膜的附着性能和耐磨损性能要求很高的各类应用场合。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的:第一方面，本专利技术涉及一种化学气相沉积制备娃掺杂微纳复合金刚石薄膜的方法，所述方法包括:以含娃有机化合物作为娃掺杂源，米用热丝化学气相沉积法在衬底表面制备硅掺杂金刚石薄膜；然后原位沉积不掺杂微米金刚石薄膜，制得硅掺杂复合金刚石薄膜。所述含硅有机化合物包括正硅酸乙酯、四甲基(甲硅)烷；优选正硅酸乙酯。方法中采用的碳源为丙酮、甲醇等液体有机化合物；优选丙酮。优选的，所述方法具体包括如下步骤:A、恒温条件下，硅掺杂气路中的载流氢气带动硅掺杂源与碳源的混合溶液鼓泡蒸发，含混合溶液蒸汽的载流氢气与氢气气路的氢气充分混合后进入真空反应腔，采用热丝化学气相沉积法在衬底表面制备硅掺杂金刚石薄膜； B、关闭硅掺杂气路，开启碳源气路；恒温条件下，碳源气路中的载流氢气带动碳源鼓泡蒸发，含碳源的载流氢气与氢气气路的氢气充分混合后进入真空反应腔，采用热丝化学气相沉积法在步骤A制得的硅掺杂金刚石薄膜表面原位沉积不掺杂微米金刚石薄膜。优选的，所述步骤A中的恒温为-30~-20°c;步骤B中的恒温为-30~_20°C。恒定温度下混合溶液(或纯碳源)的饱和蒸汽压保持恒定，因此可以通过控制载流氢气的流量控制混合溶液(或纯碳源)的蒸发量，比较精确地控制碳源流量并实现定量掺杂。此外，步骤A的硅掺杂金刚石薄膜制备过程中将硅掺杂源与碳源混合，通过控制混合溶液中硅掺杂源和碳源的体积可以确定混合溶液及薄膜中的硅碳原子比。优选的，所述制备硅掺杂金刚石薄膜采用的沉积参数为:氢气流量800~1000ml/min,混合溶液/氢气体积比I~3%,混合溶液中娃碳原子比1000~50000:1ppm,反应压力25~35Torr，衬底温度800~900°C，偏压电流1.0~4.0A ;所述氢气流量为氢气气路流量与硅掺杂气路中的载流氢气流量之和。优选的，所述制备不掺杂微米金刚石薄膜采用的沉积参数为:氢气流量800~1000ml/min,碳源/氢气体积比I~3%，反应压力25~35Torr，衬底温度800~900°C，偏压电流1.0~4.0A ;所述氢气流量为氢气气路流量与碳源气路中的载流氢气流量之和。第二方面，本专利技术还涉及一种适用上述的的专用装置，所述专用装置包括并联设置且分别与氢气源、热丝化学气相沉积设备相连的娃掺杂气路、碳源气路和氢气气路；所述娃掺杂气路上设有放置在恒温箱内的混合溶液鼓泡瓶，所述碳源气路上设有放置在恒温箱内的碳源鼓泡瓶；所述硅掺杂气路为制备硅掺杂金刚石薄膜提供硅掺杂源和碳源，所述碳源气路为原位沉积不掺杂微米金刚石薄膜提供碳源。优选的，所述恒温箱的可调温度范围为-50~0°C。通过调整恒温箱温度可以改变混合溶液(或纯碳源)的饱和蒸汽压，恒定温度下混合溶液(或纯碳源)的饱和蒸汽压保持恒定，因此可以通过控制载流氢气的流量控制混合溶液(或纯碳源)的蒸发量，比较精确地控制碳源流量并实现定量掺杂；采用较低的恒温箱温度可以减小混合溶液(或纯碳源)的饱和蒸汽压，在不通氢气的情况下，避免鼓泡瓶中的液体受下游管道压力状态的影响蒸发逸出。优选的，所述娃掺杂气路、碳源气路和氢气气路上靠近氢气源的一侧均设有气体质量流量计。优选的，所述硅掺杂气路上气体质量流量计与混合溶液鼓泡瓶之间设有保护瓶；所述碳源气路上气体质量流量计与碳源鼓泡瓶之间设有保护瓶。各气路中氢气流量是通过气体质量流量计进行自动控制的。碳源中含有少量水分，在管路中可能会有少量硅源遇水后固态析出，因此气体质量流量计置于保护瓶和鼓泡瓶之前，可防止析出的硅源堵塞流量计中的流量检测管路和控制阀门；保护瓶用于防止误操作导致的混合溶液(或纯碳源)倒流进入气路。优选的，所述热丝化学气相沉积设备包括真空反应腔以及分别与真空反应腔相连的反应压力控制装置、真空泵、热丝电源及温度控制装置。优选的，所述专用装置还包括与硅掺杂气路并联设置的保护气体气路；所述保护气体气路与保护气体源、热丝化学气相沉积设备相连。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果:1、采用本专利技术制备的硅掺杂复合金刚石薄膜整体具有良好的附着性能:硅掺杂技术的采用有效减小金刚石薄膜中的残余应力，改善金刚石薄膜与衬底之间的附着性能，因此底层娃掺杂金刚石薄膜与衬底之间结合良好；另外，娃掺杂金刚石薄膜与不掺杂金刚石薄膜性质相近，因此两层金刚石薄本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王新昶，孙方宏，沈彬，张志明，郭松寿，张文骅，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海交友钻石涂层有限公司，苏州交钻纳米超硬薄膜有限公司，
类型：发明
国别省市：
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