本发明涉及一种纳米晶金刚石薄膜的制备方法，具体涉及一种采用螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法。
背景技术：
金刚石是原子排列最紧密的物质，它的晶体结构决定了它具有许多优异的物理化学性质，例如：极高的硬度和弹性模量、非常低的热膨胀系数、很高的断裂强度、很大的禁带宽度、极低的介电常数等等。纳米晶金刚石(NCD)膜泛指平均晶粒尺寸在100nm以下的金刚石膜。由于尺寸效应的影响，纳米晶金刚石也呈现出许多独特的物理和化学特性。例如：除了具备上述金刚石许多优异的物理和化学性质之外，纳米晶金刚石还具有更高的光学透过率、更低的摩擦系数和损耗系数、良好的韧性和延展性以及更好的黏附性能等优异特性。同时，由于这种纳米晶金刚石包含了大量纳米尺度的晶粒，其在特殊的条件下还会呈现出库仑堵塞效应、量子尺寸效应等量子相关特性。这些优异的特性让纳米晶金刚石在微、纳电子学领域得到了非常广泛的应用。因此，纳米晶金刚石的制备方法和特性研究已成为国际研究的热点。
传统的纳米晶金刚石薄膜的制备方法有很多，如：微波等离子体CVD(MPCVD)、热丝CVD(HFCVD)、直流电弧等离子体喷射CVD(DC arc plasma jet CVD)等。但是它们均存在一些缺点，包括：微波等离子体CVD的设备价格昂贵，沉积腔设计需要模拟；热丝CVD的沉积速率较低，灯丝在沉积过程中性能衰减；直流电弧等离子体喷射CVD的工艺参数控制比较困难，电极易污染。
技术实现要素：
本发明克服了现有技术的不足，提供一种采用螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法，在螺旋波等离子体装置内，以螺旋波等离子体技术实现快速沉积纳米晶金刚石薄膜。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种采用螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法，包括如下步骤：
（1）将Ar气和H2气通入到放电腔室内，在轴向磁场的环境下，通过射频调制的螺旋波等离子体实现Ar和H2混合气体放电，清洗基片台和Si衬底；
（2）关闭H2气，通入Ar气和CH4气体，在轴向磁场的环境下，通过射频调制的螺旋波等离子体在Si衬底上形成纳米晶金刚石薄膜；
（3）当步骤（2）中的放电过程结束时，关闭所有气源，待放电腔室重新抽至本底真空后，继续通入Ar气和H2气，在轴向磁场的环境下，通过射频调制的螺旋波等离子体实现Ar和H2混合气体放电，清洗纳米晶金刚石薄膜表面吸附的CH4气体，最后关闭真空，通入Ar气作为保护气。
本发明一个较佳实施例中，采用螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法进一步包括所述步骤（1）中螺旋波等离子体清洗的工艺参数为：衬底温度为600℃、本底真空为1×10-4pa、工作气体是纯度为99.999%的Ar气和纯度为99.999%的H2气、Ar气和H2气的流量比为60sccm:5sccm、清洗时间为20min、工作气压为0.21pa。
本发明一个较佳实施例中，采用螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法进一步包括所述步骤（1）中射频频率为13.56MHz、射频功率为800W。
本发明一个较佳实施例中，采用螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法进一步包括所述步骤（1）中轴向磁场强度为1480Gs。
本发明一个较佳实施例中，采用螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法进一步包括所述步骤（1）中用丙酮、无水乙醇和去离子水依次对Si衬底进行超声波清洗。
本发明一个较佳实施例中，采用螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法进一步包括所述步骤（2）中螺旋波等离子体制备纳米晶金刚石薄膜的工艺参数为：衬底温度为900℃～1100℃,本底真空为1×10-4pa，工作气体是纯度为99.999%的Ar气和纯度为99.999%的CH4气体，Ar气和CH4气体的流量比为50sccm:35sccm，时间为15min，工作气压为0.35pa。
本发明一个较佳实施例中，采用螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法进一步包括所述步骤（2）中射频频率为13.56MHz、射频功率为1500W。
本发明一个较佳实施例中，采用螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法进一步包括所述步骤（2）中轴向磁场的强度为1480Gs。
本发明一个较佳实施例中，采用螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法进一步包括所述步骤（3）中清洗纳米晶金刚石薄膜表面吸附的CH4气体的时间为2min。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明在1500W的射频功率和1480Gs的轴向磁场强度条件下，通过螺旋波等离子体技术成功地制备了纳米晶金刚石薄膜，本发明采用螺旋波等离子体技术所用设备更加简单，工业生产上更容易实现，沉积速率更快，不存在灯丝性能衰减的问题，而且工艺步骤更简单，工艺参数更易控制。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例中所采用的螺旋波等离子体制备纳米晶金刚石薄膜拍摄的射流照片；
图2 是本发明的优选实施例中所采用的螺旋波等离子体沉积技术制备的样品的激光拉曼光谱图；
图3 是本发明的优选实施例中所采用的螺旋波等离子体沉积技术制备的样品的X射线光电子能谱(XPS)C1s分峰图；
图4是本发明的优选实施例中所采用的螺旋波等离子体沉积技术制备的样品的原子力显微镜(AFM)图；
图5是本发明的优选实施例中所采用的螺旋波等离子体沉积技术制备的样品的扫描电子显微镜(SEM)表面图；
图6是本发明的优选实施例中所采用的螺旋波等离子体沉积技术制备的样品的扫描电子显微镜(SEM)截面图。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明所采用的螺旋波等离子体技术制备纳米晶金刚石薄膜的方法，包括如下步骤：
（1）采用晶向为<100>的单晶Si为衬底，以工业标准湿法清洗，去除Si表面的自然氧化层和各种粘污物。将已清洗干净的Si衬底放到基片台上，并固定好，然后将放电腔室抽至本底真空。待抽至本底真空后，将Ar气和H2气通入到放电腔室内，在轴向磁场的环境下，通过射频调制的螺旋波等离子体实现Ar和H2混合气体放电，清洗放电腔室、基片台和Si衬底，其中Si衬底分别用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗。
具体工艺参数为：衬底温度为600℃、本底真空为1×10-4pa、工作气体是纯度为99.999%的Ar气和纯度为99.999%的H2气、清洗时间为20min、Ar气和H2气的流量比为60sccm:5sccm、工作气压为0.21pa、射频频率为13.56MHz、射频功率为800W、所加轴向磁场强度为1480Gs。
（2）待真空腔室、基片台和Si衬底清洗完后，关闭H2气，通入Ar气和CH4气体，在轴向磁场的环境下，通过射频调制的螺旋波等离子体在Si衬底上形成纳米晶金刚石薄膜。
具体工艺参数为：衬底温度为900℃～1100℃、本底真空为1×10-4pa、工作气体是纯度为99.999%的Ar气和纯度为99.999%的CH4气体、时间为15min、Ar气和CH4气体的流量比为50sccm:35sccm、工作气压为0.35pa、射频频率为13.56MHz、射频功率为1500W、所加轴向磁场强度为1480Gs。
（3）当步骤（2）的放电过程结束后，关闭所有气源，待放电腔室重新抽至本底真空后，继续通入Ar气和H2气，在轴向磁场的环境下，通过射频调制的螺旋波等离子体实现Ar和H2混合气体放电，清洗纳米晶金刚石薄膜表面吸附的CH4气体,最后关闭真空，通入Ar气作为保护气。
具体工艺参数为：衬底温度为600℃、本底真空为1×10-4pa、工作气体是纯度为99.999%的Ar气和纯度为99.999%的H2气、清洗时间为2min、Ar气和H2气的流量比为60sccm:5sccm、工作气压为0.21pa、射频频率为13.56MHz、射频功率为800W、所加轴向磁场强度为1480Gs。
图1是本发明所采用的螺旋波等离子体制备纳米晶金刚石薄膜拍摄的射流照片。射流区域亮度强，螺旋波等离子体密度高。
图2是本发明所采用的螺旋波等离子体沉积技术制备的样品的激光拉曼光谱图。D峰峰位位于1333cm-1处，sp2态碳拉曼宽带(G峰)位于1520～1580cm-1处，由图中算得金刚石特征拉曼峰和非金刚石组分拉曼峰面积比：ID/IG约为2.51，表明我们制备的纳米晶金刚石薄膜的纯度是很高的，说明纳米晶金刚石薄膜的质量很好。
图3是本发明所采用的螺旋波等离子体沉积技术制备的样品的X射线光电子能谱(XPS)C1s分峰图。从图中可看出，C1s主要由C的sp3峰构成，结合能位于284.8eV处，即薄膜主要由金刚石成分组成，佐证图4所描述的纳米晶金刚石薄膜的纯度很高。
图4是本发明所采用的螺旋波等离子体沉积技术制备的样品的原子力显微镜(AFM)图，方均根粗糙度为6.73nm，这说明所沉积的薄膜的表面较平整、均匀。
图5是本发明所采用的螺旋波等离子体沉积技术制备的样品的扫描电子显微镜(SEM)表面图。
图6是本发明所采用的螺旋波等离子体沉积技术制备的样品的扫描电子显微镜(SEM)截面图。由图可知，15min沉积薄膜厚度为12.5um，沉积速率为833nm/min，薄膜沉积的速度是非常快的。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。