专利名称：一种硼掺杂金刚石超导材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种硼掺杂金刚石超导材料的制备方法，特别涉及利用热灯丝化学气相沉 积系统，将腔体内壁预处理技术和预先在衬底上沉积金刚石膜过渡层相结合的工艺，应用 于非金刚石衬底上的制备硼掺杂金刚石超导材料的方法。
背景技术：
掺杂金刚石材料的合成及其物性的表征一直是人们关注的焦点，特别是硼掺杂金刚石 超导材料的合成及其超导特性的表征是近两年的研究热点，其中硼惨杂金刚石材料的设计 与制备是实现超导目的的基础和关键。现有的硼掺杂金刚石超导材料的制备方法主要有两 种。 一种是采用高温高压烧结技术直接合成硼掺杂金刚石超导颗粒，如对比文献"金刚石 的超导特性(Superconductivity in diamond)"，载于《Nature》，2004， Vol.6982， No.428: 542-545所公开和"硼掺杂金刚石的超导特性(Superconductivity in boron-d叩ed diamond)"， 载于《Diamond& Related Materials)) , 2005， Vol.14, No.3-7: 335-339所公开，该方法采 用的是高温高压反应技术，即首先将石墨与碳化硼或无定型硼放置到环形高压反应系统中， 然后在高温高压(2500-3100K， 8-9GPa)的条件下维持十秒左右的反应时间，从而制备出 硼掺杂金刚石超导颗粒。这种方法的优点是快速、工序较短。但缺点也很明显首先是
反应过程中掺杂不均匀，由于该技术合成的硼掺杂超导金刚石是通过两种物质在高温高压 的条件下的相互扩散和反应得到的，而渗透反应的程度决定了硼掺杂金刚石中的硼密度， 如附图1所示，所形成的硼掺杂金刚石是被石墨和碳化硼包裹着的，所以硼掺杂金刚石近
表面的掺杂浓度会低于其体内的掺杂浓度；其次这种方法所合成的硼掺杂金刚石超导材料 具有相对较低的超导转变温度，相应于零电阻的超导转变温度不大于3K，原因是该技术所 合成的硼惨杂金刚石中有相当一部分硼原子不是以替位形式存在，而是以间隙杂质形式存 在，即有效的硼掺杂浓度较低；再次这种技术所制备的硼掺杂金刚石为颗粒或粉末，使得 其超导特性不能得到更好的利用，从而限制了其应用的领域。另一种方法是利用微波等离 子体辅助的化学气相沉积法以氢气、甲垸来和硼源(如硼酸三甲脂或硼粉)为原料在非金 刚石衬底上合成出硼掺杂金刚石超导膜，如对比文献"超导转变温度高于液氦温度的金刚 石薄膜的超导特性 (Superconductivity in diamond thin films well above liquid helium temperature)",载于《Applied Physics Letters》2004， Vol.85， No.714: 2851-2853所公开。这种制备方法的优点是首先在相对低的温度(900-1300K)和低压(100-10000Pa)的条件 下进行硼掺杂金刚石的制备，而且是在金刚石膜合成的同时进行硼掺杂，从而避免了高温 高压烧结技术中硼掺杂不均匀的问题，而且能够获得较高质量的硼掺杂金刚石膜(如附图 2所示)。但是缺点也比较明显， 一方面设备复杂、造价昂贵，对微波源及其功率控制要 求高，而且其生长速率低(<0.5pm/h)，成膜面积难以扩大，从而大大增加了制备成本和 制备时间；另一方面，这种方法所制备的硼掺杂金刚石膜的超导转变温度尽管比高温高压 烧结法制备的硼掺杂金刚石的超导转变温度高，但是由于制备条件的限制，很难合成出具 有更高载流子浓度的硼掺杂金刚石超导膜，所制备的这种薄膜超导转变温度一般不高于 8K。因此，应用以上两种方法来制备的硼惨杂金刚石超导材料都存在很大的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于为了解决已有的运用高温高压烧结技术制备硼掺杂金刚石超导颗 粒的过程中，硼掺杂的超导金刚石是通过两种物质的相互扩散和反应得到的，其中的硼含 量不仅难以控制，而且分布不均匀，以及由于大量的间隙掺杂引起的有效掺杂浓度不高和 超导转变温度较低的问题；还要克服微波等离子体辅助化学气相沉积法合成硼掺杂金刚石 超导膜的过程中的制备成本高、生长速率低、成膜面积难以扩大、以及所制备的金刚石膜 的超导转变温度不够高等缺陷。从而提供一种应用于非金刚石衬底上、利用热灯丝化学气 相沉积系统，将腔体内壁先进行预处理，和预先在衬底上沉积一层金刚石膜过渡层的工序 相结合的硼掺杂金刚石超导材料的制备方法；该方法既具有低成本和高灵活性、又可以得 到具有更高载流子浓度和高于8K超导转变温度的硼掺杂金刚石超导材料。
本发明的目的是这样实现的
本发明提供的制备硼掺杂金刚石超导材料的方法，在热灯丝化学气相沉积系统中进行, 包括以下歩骤
1) 首先采用传统的合成硼掺杂金刚石膜的方法对内腔体预处理其中预处理条件通 入甲烷、氢气及携带硼酸三甲脂的氢气三路气体，这三路气体的混合比例为(2-10):100:(1-20)
体积比，即携带硼酸三甲脂的氢气与甲垸的比例为(0.5-2):l体积比，反应气压为20-100Torr， 灯丝温度大约为220(TC，处理6-60小时；在上述条件下，所通入的甲烷、氢气及硼酸三甲 脂这三种反应物就会发生化学反应，并形成富含硼的非晶颗粒，这些颗粒最终会沉积在腔 体的内壁上；
2) 在衬底上沉积生长非掺杂的金刚石膜过渡层取镜面抛光的衬底，清洗干净后放置 到步骤l)预处理完毕的热灯丝化学气相沉积系统内腔中的衬底托上，采用传统热灯丝化学气相沉积方法进行沉积生长金刚石膜过渡层，其中生长金刚石膜过渡层的具体条件为在 衬底上施加偏压为零，通入甲烷与氢气两路反应气体，这两路气体的比例为(2-10):100体
积比，灯丝温度为2000-2300°C，通过调节衬底与灯丝间的距离使衬底温度在800-100(TC 范围内，反应气压为20-60Torr，生长时间0.5-1.5小时，在衬底2上得到沉积一层非掺杂 的金刚石膜过渡层，该金刚石膜过渡层为高取向的金刚石膜，含有非晶碳、石墨或非金刚 石杂质成分的金刚石膜；所述的金刚石膜过渡层的厚度以达到最佳过渡效果为准， 一般为 200纳米到1000纳米;
3)制备硼掺杂金刚石超导膜在步骤2)沉积生长得到的金刚石膜过渡层上继续生 长硼掺杂金刚石超导膜，沉积生长条件是维持步骤2)中沉积金刚石膜过渡层的生长条
件不变，即在衬底上施加偏压为零，通入甲烷与氢气的比例为(2-10):100体积比，衬底温 度在800-100(TC范围内，反应气压为20-60 Torr;同时再向甲烷/氢气混合气体通入携带硼 酸三甲脂的氢气，所通入的这路气体与甲烷的比例为(0.5-2.5):l体积比，生长时间至少为3 小时，得到掺杂金刚石超导膜层厚度在2微米到100微米的硼掺杂金刚石超导材料。
在上述的技术方案中，还包括衬底表面产生金刚石形核点，再生长金刚石膜过渡层的 步骤，由于在洁净的衬底上很难直接生长出厚度为l微米以下的非掺杂金刚石连续膜，通 常要先使衬底表面产生金刚石形核点，再生长金刚石膜过渡层；所述的使衬底表面产生金 刚石形核点的工艺，包括采用对衬底研磨成核法或偏压成核法两类。
其中研磨成核方法又可分为如下两种
A. 利用金刚石研磨膏将衬底表面机械研磨30-120分钟；
B. 将衬底放入溶解有金刚石粉的溶液中，然后超声30-120分钟，金刚石粉末的颗粒 大小一般小于l微米，所用溶液可以是水、乙醇等不会污染衬底的任何液体；
其中偏压成核的具体工艺是通过施加衬底负偏压来形核，具体的成核条件为施加
负偏压在60-200V范围内，甲烷/氢气混合比例为(2-10):100体积比；衬底温度在700-1000 'C范围内，反应气压为20-60 Torr，成核时间为15-30分钟，所获得的成核密度应在 107-10u/cm2;
在上述的技术方案中，为了提高生长速率，在步骤3)中可以施加衬底负偏压(60-300); 为了能够制备出具有较高载流子浓度和超导转变温度的硼掺杂金刚石超导膜1，生长条件 优选如下甲垸/氢气混合比例为(2-10):100体积比，携带硼酸三甲脂的氢气与甲烷的比例 为(0.7-2):l体积比，衬底温度在700-1000。C范围内，反应气压为30-60 Torr，生长时间不 低于4小时。
在上述的技术方案中，所述的衬底为单晶硅或金属，所述的金属例如钼、铜或铁等。在上述的技术方案中，所述的金刚石膜过渡层包括高取向的金刚石膜，含有非晶碳、 石墨或非金刚石等杂质成分的金刚石膜，其中所述的金刚石膜过渡层的厚度为200纳米到 1000纳米，以达到最佳过渡效果为准。
本发明的优点在于
本发明由于采用腔体内壁预处理技术和在衬底上预沉积一层非掺杂的金刚石膜过渡层 的工艺，使得热灯丝化学气相沉积系统的腔体的内壁上覆盖了一层富含硼的非晶薄膜，这 层富含硼的薄膜的存在，既能够为硼掺杂金刚石超导膜的合成提供一个含有更多活性硼原 子的环境，又能够抑制反应气氛中分解出的活性硼原子的流失，可以实现更高浓度的硼掺 杂金刚石超导膜。
另外，又由于采用在衬底上预沉积一层非掺杂的金刚石膜过渡层，避免了直接在非金 刚石衬底上制备硼掺杂金刚石膜的过程中造成的晶格失配以及衬底与合成材料的相互扩 散，因此制备出更好质量的硼掺杂金刚石超导膜，并且还有利于实现更好的有效硼掺杂， 从而制备出的硼掺杂金刚石超导材料，其载流子浓度最高可达5xl022 cm—3，超导转变温度 可高达10K，超导转变宽度可低至0.1K，并且在更宽的温度范围内表现出金属导体的特性， 从而极大的拓展了对硼掺杂金刚石超导膜物性研究的范围，及其在电子学领域的实际应用。 本发明的制备方法采用的是热灯丝化学气相沉积系统，该系统投资小、结构简单，还 可以在灯丝和基体间加直流负偏压来获得更高的生长速率，大大降低制备成本和提高制备 效率；此外，该方法还可以在较宽的范围内调节反应室气压、混合气体浓度以及合成温度， 从而制备出具有不同载流子浓度和不同超导转变温度的硼掺杂金刚石超导膜。本发明是一 种既具有低成本和高灵活性、又可以实现更高载流子浓度和更高超导转变温度的硼掺杂金 刚石超导材料的制备方法。
图1现有技术利用高温高压烧结的硼掺杂金刚石超导颗粒SEM图
图2现有技术利用微波等离子体化学气相沉积的硼掺杂金刚石超导膜SEM图
图3本发明的硼掺杂金刚石超导材料的制备工艺流程图
图4a为本发明的实施例1制备的硼掺杂金刚石超导膜表面形貌的SEM图
图4b为本发明的实施例2制备的硼掺杂金刚石超导膜表面形貌的SEM图
图4c为本发明的实施例3制备的硼掺杂金刚石超导膜表面形貌的SEM图
图4d为本发明的实施例4制备的硼掺杂金刚石超导膜表面形貌的SEM图
图4e为本发明的实施例5制备的硼掺杂金刚石超导膜表面形貌的SEM面说明
1-硼掺杂金刚石超导膜 2-衬底 3-金刚石膜过渡层
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
具体实施方式
实施例1
参考图3，在热灯丝化学气相沉积系统中进行，通过以下具体步骤来详细说明本发明的 方法。
1. 先对热灯丝化学气相沉积系统的腔体内壁，采用热灯丝化学气相沉积硼掺杂金刚石 膜的方法进行预处理，预处理条件甲烷与氢气这两路气体的流量分别为8sccm与100sccm， 同时通入一路流量为10sccm的氢气，该氢气通过盛有硼酸三甲脂的容器后进入沉积系统的 腔体一以下简称为"携带硼酸三甲脂的氢气"，即携带硼酸三甲脂的氢气流量为10sccm， 腔体内反应压力为25 Torr，灯丝温度大约为220(TC，进行预处理10小时；在上述条件下， 所通入的甲垸、氢气及硼酸三甲脂这三种物质就会发生化学反应，形成富含硼的非晶颗粒， 这些颗粒最终会沉积在腔体的内壁上。特别地，上述预处理的条件并不十分严格，只要能 使腔体的内表面覆盖一层富含硼的黑色非晶薄膜即可；但是此膜的厚度会随接下来硼掺杂 金刚石超导膜的生长而增加，而且这层薄膜的厚度会对硼掺杂金刚石膜的合成产生重要影 响。 一般情况下，当累计的腔体处理时间大约超过100小时后，所形成的腔体环境会使灯 丝无法正常工作；
2. 以抛光的金属钼片做衬底2，取颗粒型号为0.5微米的金刚石研磨膏，涂敷在衬底2 上表面研磨40分钟，在金属钼片的衬底2上产生了金刚石形核点；然后进行半导体材料制 备的清洗工艺，例如经过丙酮、乙醇或去离子水等清洗液进行清洗；
本实施例的方法制备的硼掺杂金刚石超导材料，也包括使用镜面抛光的衬底2，并且进
行半导体材料制备的清洗工艺，例如经过丙酮、乙醇或去离子水等清洗液清洗；直接在衬
底2上沉积一层非掺杂的金刚石膜过渡层3，所述的金刚石膜过渡层的厚度以达到最佳过 渡效果为准， 一般为100纳米到1000纳米均可以；在金刚石膜过渡层3上面生长硼掺杂金 刚石超导膜l，其中厚度在2微米到100微米。
3.沉积金刚石膜过渡层3:将步骤2)得到的在金属钼片的表面形成金刚石形核点的 衬底2，或者镜面抛光的衬底2放入步骤1)处理好的热灯丝化学气相沉积系统的内腔体中的衬底托上，进行热灯丝化学气相沉积方法生长金刚石膜过渡层3，其沉积生长条件甲 烷与氢气的流量分别为5sccm与200sccm，即两者的体积比为2.5:100，衬底温度为800°C， 反应气压为50Torr，生长时间为90分钟；得到在金属钼片上生长厚度大约为1000纳米的 金刚石膜过渡层3;
4.制备硼掺杂金刚石超导膜1，生长条件在维持上述生长金刚石膜过渡层的实验条 件不变的基础上一甲垸与氢气的流量分别为5sccm与200sccm，即两者的体积比为2.5:100， 衬底温度为80(TC，反应气压为50Torr;再向甲垸与氢气的混合气体中再通入另一路携带 硼酸三甲脂的氢气，流量为10sccm，即该路气体与甲垸的体积比为2:1，并在衬底上施加 200V的衬底负偏压，生长时间60小时，最后制备出硼掺杂金刚石超导膜1的厚度达90微 米的硼掺杂金刚石超导材料。
本实施例制备的硼掺杂金刚石超导膜表面形貌参见附图4 (a)，该硼掺杂金刚石超导 膜的载流子浓度为7.3xl0^cm—3，超导转变起始温度为9.8K，转变宽虔为1.7K，即在8.3K 达到零电阻。
实施例2
参考图3，通过以下具体步骤来详细说明本发明的方法。
1. 先对热灯丝化学气相沉积系统的腔体内壁，采用热灯丝化学气相沉积硼掺杂金刚石 膜的方法进行预处理，其余预处理条件和预处理时间完全同实施例1;
2. 以抛光的N型(001)单晶硅片做衬底，取溶解有颗粒型号为0.2微米的金刚石粉的 酒精溶液，将单晶硅放入溶液中进行超声60分钟，就在硅衬底上产生了金刚石形核点，然 后进行半导体材料制备的清洗工艺，例如经过丙酮、乙醇或去离子水等清洗液进行清洗；
3.沉积金刚石膜过渡层3:将步骤2)得到的在单晶硅片的表面形成金刚石形核点的 衬底2放入步骤1)处理好的热灯丝化学气相沉积系统的内腔体中的衬底托上，进行热灯 丝化学气相沉积方法生长金刚石膜过渡层3，其沉积生长条件甲烷与氢气流量分别为 3sccm与100sccm，衬底温度为750°C，反应气压为50Torr，生长时间为60分钟；得到在 单晶硅片上生长厚度大约为600纳米的金刚石膜过渡层3;
4.制备硼掺杂金刚石超导膜1，生长条件在维持上述生长金刚石膜过渡层的实验条 件不变的基础上，再向甲垸与氢气的混合气体中再通入另一路携带硼酸三甲脂的氢气，流 量为6sccm，即该路气体与甲垸的体积比为2:1，并且不施加衬底偏压，生长时间6小时， 最后制备出硼掺杂金刚石超导膜的厚度达8微米的硼掺杂金刚石超导材料。
本实施例制备的硼掺杂金刚石超导膜表面形貌参见附图4 (b)，该硼掺杂金刚石超导 膜的载流子浓度为1.4xl021cm-3，超导转变起始温度为6.3K，转变宽度为1.2K，即在5.1K达到零电阻。 实施例3
参考图3，通过以下具体步骤来详细说明本发明的方法。
1. 先对热灯丝化学气相沉积系统的腔体内壁，采用热灯丝化学气相沉积硼掺杂金刚石 膜的方法进行预处理，预处理条件甲烷与氢气这两路气体的流量分别为8sccm与100sccm， 同时通入的携带硼酸三甲脂的氢气流量为6sccm，腔体内反应压力为40Torr,灯丝温度大 约为2200 °C ，进行预处理25小时；
2. 以抛光的N型(001)单晶硅片做衬底，取溶解有颗粒型号为0.2微米的金刚石粉的 酒精溶液，将单晶硅放入溶液中进行超声60分钟，就在硅衬底上产生了金刚石形核点，然 后进行半导体材料制备的清洗工艺，例如经过丙酮、乙醇或去离子水等清洗液进行清洗； 即完全同实施例2;
3.沉积金刚石膜过渡层将步骤2)得到的在单晶硅片的表面形成金刚石形核点的衬 底2放入步骤1)处理好的热灯丝化学气相沉积系统的内腔体中，进行生长金刚石膜过渡 层，其沉积条件甲烷与氢气流量分别为4sccm与100sccm，衬底温度为90(TC，反应气压 为35Torr，生长时间为40分钟；得到在单晶硅片上生长厚度大约为300纳米的金刚石膜过 渡层3;
4.制备硼掺杂金刚石超导膜1，生长条件在维持上述生长金刚石膜过渡层的实验条 件不变的基础上，向甲烷与氢气的混合气体中再通入携带硼酸三甲脂的氢气，流量为4sccm， 即与甲烷的体积比为1:1，生长时间6小时，最后制备出的硼掺杂金刚石超导膜厚度达7.5 微米的硼掺杂金刚石超导材料。
本实施例制备的硼掺杂金刚石超导膜表面形貌参见附图4 (c)，该硼掺杂金刚石超导 膜的载流子浓度为4.3xl0"cm—3，超导转变起始温度为6.5K，转变宽度为0.5K，即在5.9K 达到零电阻。
实施例4
参考图3，通过以下具体步骤来详细说明本发明的方法。
1. 先对热灯丝化学气相沉积系统的腔体内壁，采用热灯丝化学气相沉积硼掺杂金刚石 膜的方法进行预处理，预处理条件甲垸与氢气这两路气体的流量分别为8sccm与100sccm， 同时通入的携带硼酸三甲脂的氢气流量为4sccm，腔体内反应压力为30Torr，灯丝温度大 约为2200°C ，进行预处理40小时；
2. 以抛光的N型(001)单晶硅片做衬底，取溶解有颗粒型号为0.2微米的金刚石粉的酒精溶液，将单晶硅放入溶液中进行超声90分钟，就在硅衬底上产生了金刚石形核点，然 后进行半导体材料制备的清洗工艺，例如经过丙酮、乙醇或去离子水等清洗液进行清洗；
3.沉积金刚石膜过渡层将步骤2)得到的在单晶硅片的表面形成金刚石形核点的衬 底2放入步骤1)处理好的热灯丝化学气相沉积系统的内腔体中，进行生长金刚石膜过渡 层，其沉积条件甲烷与氢气流量分别为4sccm与100sccm，衬底温度为95(TC，反应气压 为35Torr，生长时间为30分钟；得到在单晶硅片上生长厚度大约为200纳米的金刚石膜过 渡层3;
4.制备硼掺杂金刚石超导膜1，生长条件在维持上述生长金刚石膜过渡层的实验条 件不变的基础上，向甲烷与氢气的混合气体中再通入携带硼酸三甲脂的氢气，流量为3sccm， 即与甲烷的体积比为0.75:1，生长时间4小时，最后制备出的硼掺杂金刚石超导膜厚度达 3.5微米的硼掺杂金刚石超导材料。
本实施例制备的硼掺杂金刚石超导膜表面形貌参见附图4 (d)，该硼掺杂金刚石超导 膜的载流子浓度为2.2xl0"cm—3，超导转变起始温度为IOK，转变宽度为0.3K，即在9.7K 达到零电阻。
实施例5
参考图3，通过以下具体步骤来详细说明本发明的方法。
1. 先对热灯丝化学气相沉积系统的腔体内壁，采用热灯丝化学气相沉积硼掺杂金刚石 膜的方法进行预处理，预处理条件同实施例4，进行预处理50小时；
2. 以抛光的N型(001)单晶硅片做衬底，取溶解有颗粒型号为0.2微米的金刚石粉的 酒精溶液，将单晶硅放入溶液中进行超声90分钟，就在硅衬底上产生了金刚石形核点，然 后进行半导体材料制备的清洗工艺，例如经过丙酮、乙醇或去离子水等清洗液进行清洗； 即完全同实施例4;
3. 沉积金刚石膜过渡层将步骤2)得到的在单晶硅片的表面形成金刚石形核点的衬
底2放入步骤1)处理好的热灯丝化学气相沉积系统的内腔体中，进行生长金刚石膜过渡 层，其沉积条件甲垸与氢气流量分别为4sccm与100sccm，衬底温度为IOO(TC，反应气 压为50Torr，生长时间为50分钟；得到在单晶硅片上生长厚度大约为450纳米的金刚石膜 过渡层3;
4. 制备硼掺杂金刚石超导膜1，生长条件在维持上述生长金刚石膜过渡层的实验条 件不变的基础上，即甲烷与氢气流量分别为4sccm与100sccm，衬底温度为100(TC，反应 气压为50Torr;再向甲烷与氢气的混合气体中通入携带硼酸三甲脂的氢气，流量为3sccm，即与甲烷的体积比为0.75:1，生长时间4小时，最后制备出的硼掺杂金刚石超导膜厚度达l 微米的硼掺杂金刚石超导材料。
本实施例制备的硼掺杂金刚石超导膜表面形貌参见附图4 (e)，该硼掺杂金刚石超导 膜的载流子浓度为5.1xl0"cnT3，超导转变起始温度为IO.IK，转变宽度为O.IK，即在10K 达到零电阻。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉 本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变形 都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1. 一种制备硼掺杂金刚石超导材料的方法，在热灯丝化学气相沉积系统中进行，包括以下步骤1)首先采用传统的合成硼掺杂金刚石膜的方法对沉积系统内腔体预处理其中预处理条件通入甲烷、氢气及携带硼酸三甲脂的氢气三路气体，这三路气体的混合比例为(2-10)∶100∶(1-20)体积比，其中携带硼酸三甲脂的氢气与甲烷的比例为(0.5-2)∶1体积比，反应气压为20-100Torr，灯丝温度为2000-2300℃，处理6-60小时；2)在衬底上沉积生长非掺杂的金刚石膜过渡层取镜面抛光的衬底，清洗干净后放置到步骤1)预处理完毕的热灯丝化学气相沉积系统内腔中的衬底托上，采用传统热灯丝化学气相沉积方法进行沉积生长金刚石膜过渡层，其中生长金刚石膜过渡层的具体条件为在衬底上施加偏压为零，通入甲烷与氢气两路反应气体，这两路气体的比例为(2-10)∶100体积比，灯丝温度大约为2200℃，通过调节衬底与灯丝间的距离使衬底温度在800-1000℃范围内，反应气压为20-60Torr，生长时间0.5-1.5小时，在衬底2上得到沉积一层非掺杂的金刚石膜过渡层，所述的金刚石膜过渡层的厚度为200纳米到1000纳米；3)制备硼掺杂金刚石超导膜在步骤2)沉积生长得到的金刚石膜过渡层上继续生长硼掺杂金刚石超导膜，沉积生长条件是维持步骤2)中沉积金刚石膜过渡层的生长条件不变，在衬底上施加偏压为零，通入甲烷与氢气的比例为(2-10)∶100体积比，衬底温度在800-1000℃范围内，反应气压为20-60Torr；同时再向甲烷/氢气混合气体通入携带硼酸三甲脂的氢气，所通入的这路气体与甲烷的比例为(0.5-2.5)∶1体积比，生长时间至少为3小时，得到掺杂金刚石超导膜层厚度在2微米到100微米的硼掺杂金刚石超导材料。
2. 按权利要求1所述的制备硼掺杂金刚石超导材料的方法，其特征在于，还包括衬底 表面产生金刚石形核点，再生长金刚石膜过渡层的步骤，该步骤包括对衬底采用研磨成核 法或偏压成核法。
3. 按权利要求2所述的制备硼掺杂金刚石超导材料的方法，其特征在于，所述的研磨 成核法的具体工艺是A. 利用金刚石研磨膏将衬底表面机械研磨30-120分钟；B. 将衬底放入溶解有金刚石粉的溶液中，然后超声30-120分钟，金刚石粉末的颗粒 粒度至少为1微米，所述的溶液是水或乙醇。
4. 按权利要求2所述的制备硼掺杂金刚石超导材料的方法，其特征在于，所述的偏压 成核的具体工艺是利用热灯丝化学气相沉积系统，通过对衬底施加负偏压来形核，其中在衬底上施加负偏压在60-200V范围内，通入甲烷/氢气混合比例为(2-10) : 100体 积比；衬底温度在600-1000'C范围内，反应气压为10-100Torr，成核时间为15-30分钟， 所获得的成核密度在107-1011/(^2。
5.按权利要求1或2所述的制备硼掺杂金刚石超导材料的方法，其特征在于，所述 的衬底为单晶硅或金属钼、铜或铁。
全文摘要
本发明涉及一种硼掺杂金刚石超导材料的制备方法，包括以下步骤采用传统的合成硼掺杂金刚石膜工艺对内腔体预处理，干净的衬底放到预处理完毕的内腔中的衬底托上，采用传统热灯丝化学气相沉积方法进行沉积金刚石膜过渡层，沉积生长条件在衬底上施加偏压为零，通入甲烷与氢气两路反应气体，这两路气体的比例为(2-10)∶100体积比，通过调节衬底与灯丝间的距离使衬底温度在800-1000℃范围内，反应气压为20-60Torr，生长时间0.5-1.5小时；维持沉积金刚石膜过渡层的生长条件，继续生长硼掺杂金刚石超导膜至少3小时，得到硼掺杂金刚石超导材料。该方法既具有低成本和高灵活性、又得到更高载流子浓度和更高超导转变温度的硼掺杂金刚石超导材料。
文档编号C23C16/22GK101481792SQ20081005575
公开日2009年7月15日 申请日期2008年1月8日 优先权日2008年1月8日
发明者李俊杰, 杨海方, 王宗利, 强 罗, 超 路, 金爱子, 顾长志 申请人:中国科学院物理研究所