[发明专利]基于CVD的金刚石合成方法及装置

说明书

本发明涉及通过化学气相沉积对合成的改进，尤其涉及金刚石合成。为了增加活性物质之间碰撞的机会，提出了通过压缩沉积衬底附近的等离子体来减少沉积金刚石层所需的时间。

技术领域

本发明涉及基于化学气相沉积进行的金刚石或碳的任何其他同素异形体的合成。

背景技术

碳是一种具有多种同素异形体的材料，它们天生以固态存在于地球上，有非晶形碳和三种结晶形式，即石墨、金刚石和六方碳。金刚石主要由sp³杂化碳原子组成，而石墨主要由sp²杂化碳原子组成。其他同素异形体以合成形式存在，例如DLC。

金刚石是一种具有独特性能组合的材料，例如耐磨性、导热性或电绝缘性，这对于许多技术应用而言都是非常有用的。天然金刚石的稀有性和价格使其无法大规模应用，使其用途限制在奢侈珠宝中。但是，近几十年来，已经研发出了金刚石的合成方法，以期望利于该材料的大规模技术应用。

DLC(或称为类金刚石碳)也是一种有用的材料，与金刚石的区别在于sp³杂化碳中sp²杂化碳的比例高达60％。

在衬底上合成金刚石或DLC薄层的优选方法是低压化学气相沉积(CVD)。根据该方法，将金刚石以晶体形式沉积在腔室内放置的衬底上，在腔室中引入了包含碳原子的载气，该载气通过能量源转变成等离子体。

可以使用多种技术来形成等离子体，例如直流电、电弧、热丝或微波等。当前，在市场上占主导地位的设备使用微波或热丝。

这些方法的主要缺点是金刚石沉积的速度极低。热丝技术可以在一小时内形成大约1μm的金刚石层。这些层也经常被灯丝的元素污染。微波将沉积速度提高到每小时约45μm，但由于波长的原因，在技术上将沉积直径限制为约16mm。因此，形成极薄的金刚石层需要花费大量的反应时间，因为就能源成本、设备占用时间的效率以及因此形成的生产成本而言，不可能在工业上开发这些方法。A.Tallaire在C.R.Physique 14(2013)169-184中详细介绍了现有方法的这些局限性。因此，在薄层中合成的金刚石目前仍然局限于在采矿或石油钻探领域中的应用。

发明内容

为了使金刚石能够在技术上和经济上实现许多技术应用，申请人认为有必要提出一种可以提高沉积速度的金刚石合成方法。这是本申请发明要解决的问题。

为此，本发明首先涉及在气相沉积腔室内合成衬底上两个等离子体发生电极之间合成金刚石的方法，该方法包括：

-将含有碳原子的载气引入腔室，并且

-在衬底附近产生等离子体以生成反应性碳原子，

一种方法，其特征在于，压缩等离子体以提高衬底附近反应性碳原子的体积密度，从而提高沉积速度。

本发明还涉及在气相沉积腔室(1)内合成衬底(5)上两个等离子体发生电极(4,5)之间合成金刚石的方法，该方法包括：

-将含有碳原子的载气引入腔室(1)，并且

-在衬底附近产生等离子体(28)以生成反应性碳原子，

一种方法，其特征在于，通过在两个电极之间施加直流电(DC)(6)和射频(RF)(46)交流电来产生等离子体。

最后，本发明还涉及在气相沉积腔室(1)内合成衬底(5)上两个等离子体发生电极(4,5)之间合成金刚石的方法，该方法包括：

-将含有碳原子的载气引入腔室(1)，并且

-在衬底附近产生等离子体(28)以生成反应性碳原子，

一种方法，其特征在于，在衬底附近施加磁场(51)。