图形化金刚石的制备方法和具有图形化金刚石的制品及其应用与流程

本申请涉及金刚石材料制备领域，特别是涉及一种图形化金刚石的制备方法和具有图形化金刚石的制品及其应用。

背景技术：

1、纳米或微机电系统已成为化学、生物和质量传感器等众多应用领域的重要技术。金刚石因其性能出色是高性能mems(微机电系统)设备的理想材料，例如，金刚石具有极高杨氏模量、最高硬度、疏水表面和极高的热导率，并且对腐蚀性化学品具有高耐腐蚀性，还具有良好的生物相容性。然而，金刚石的这些性能优势也成为限制其表面图形化的严重壁垒之一。由于金刚石极高的硬度以及良好的化学稳定性，使得常规加工硅基材料的技术难以满足加工金刚石基mems的要求。

2、当前，金刚石表面图形化的方法主要有选择性形核、激光加工、聚焦离子束加工和反应离子刻蚀等。1)选择性形核技术：首先将光刻胶旋涂在硅片或其他金刚石可形核的基底上，通过光刻除掉图形部分的光刻胶以获得图形化的表面，进而在图形化的基底表面形核以获得图形化的金刚石膜；但这种技术制备的mems精度较差，精度完全取决于金刚石的化学气相沉积过程，很难获得光滑的表面。2)激光加工技术：通过高能激光束对金刚石基片进行加工以直接制备mems设备；此技术可以加工一些三维结构，但高能激光束在加工过程中会烧蚀金刚石表面，影响mems的质量；同时激光加工的纵深比取决于其加工功率和束斑直径，高功率和大束斑可以获得更高的加工能力，但随之而来的是更宽的加工宽度，因此激光加工的纵横比一般低于20：1。3)聚焦离子束加工：通过聚焦的镓离子轰击金刚石基片以实现材料的去除，进而获得金刚石基mems；此方法加工精度较高，配合扫描电镜使用可以实时观测加工过程，也可以在一定程度上获得三维结构的mems；但是聚焦离子束设备昂贵，加工效率低下，同时随着加工深度的增加，离子束加工能力也随之减弱，因此其加工的纵横比基本在10∶1以下。4)反应离子刻蚀：通过氧、氟等离子对金刚石进行刻蚀，配合光刻等技术可以实现金刚石表面的图形化；该技术可实现大面积高精度的金刚石表面图形化，但是其刻蚀纵深比较低，一般低于10∶1，同时具有强烈的取向各向异性，会影响加工精度。

3、因此，开发一种新的可实现高纵横比且精度高的图形化金刚石的制备方法，对提高金刚石在mems行业的应用至关重要。

技术实现思路

1、基于此，本申请的目的在于提供一种图形化金刚石的制备方法，由该制备方法制备得到的具有图形化金刚石的制品，以及该具有图形化金刚石的制品的应用。

2、本申请的第一方面提供一种图形化金刚石的制备方法，所述制备方法包括：

3、在生长基片的表面设置绝缘基片，所述绝缘基片具有图形区，所述表面包括通过所述图形区暴露的暴露区，所述暴露区与所述图形区共同构成金刚石的生长区；对所述生长基片进行化学气相沉积，并施加偏压电场，以在所述生长区内生成金刚石，形成图形化金刚石。

4、可选地，所述生长基片为硅片或钼片。

5、可选地，在生长基片的表面设置绝缘基片之前，所述制备方法还包括：对所述生长基片进行预处理，所述预处理包括如下步骤：

6、将所述生长基片用纳米金刚石粉研磨；

7、将研磨后的生长基片置入纳米金刚石粉的分散液中进行超声处理。

8、可选地，所述绝缘基片的材质为氧化铝或石英，所述图形区为纳米线阵列、梳齿状电极阵列、微齿轮阵列或微弹簧阵列，所述绝缘基片的厚度为10μm-200μm。

9、可选地，所述化学气相沉积为热丝化学气相沉积，其中，发热丝为钽丝或钨丝，发热丝数量为3根-6根，单丝功率为900w-1.5kw。

10、进一步地，所述单丝功率为1.0kw-1.4kw。

11、可选地，在生成金刚石的过程中，所述热丝化学气相沉积的条件包括：生长气氛为氢气、甲烷和惰性气体，氢气的流量为200sccm-500sccm，甲烷的流量为氢气流量的3％-10％，惰性气体的流量为氢气流量的8％-30％，生长气压为2.5kp-4.5kpa。

12、可选地，在生成金刚石的过程中，所述施加偏压电场的条件包括：电源电压为50v-300v，施加时间为50小时-400小时。

13、可选地，所述发热丝为碳化处理后的发热丝，所述碳化处理在包含氢气和甲烷的混合气体中进行，所述碳化处理的条件包括：碳化气压为1kpa-3kpa，碳化时间为10分钟-50分钟，氢气流量为200sccm-500sccm，甲烷的流量为氢气流量的3％-8％。

14、可选地，形成图形化金刚石之后，所述制备方法还包括：通过蚀刻工艺除去所述绝缘基片。

15、本申请的第二方面提供由本申请第一方面所述制备方法制备得到的具有图形化金刚石的制品。

16、本申请第三方面提供本申请第二方面所述具有图形化金刚石膜的制品在微光机电系统、微传感器或微加工中的应用。

17、本申请的有益效果在于，本申请的方法可制备出高纵横比且高精度图形化金刚石，并且可以制备英寸级的大尺寸基片，避免了金刚石难加工的问题，为金刚石基mems的制备提供一种新的途径。

18、本申请的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种图形化金刚石的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生长基片为硅片或钼片。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在生长基片的表面设置绝缘基片之前，还包括：对所述生长基片进行预处理，所述预处理包括如下步骤：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘基片的材料为氧化铝或石英，所述图形区为纳米线阵列、梳齿状电极阵列、微齿轮阵列或微弹簧阵列，所述绝缘基片的厚度为20μm-200μm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积为热丝化学气相沉积，其中，发热丝为钽丝或钨丝，发热丝数量为3根-6根，单丝功率为900w-1.5kw，优选为1.0kw-1.4kw。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在生成金刚石的过程中，

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述发热丝为碳化处理后的发热丝，所述碳化处理在包含氢气和甲烷的混合气体中进行，所述碳化处理的条件包括：碳化气压为1kpa-3kpa，碳化时间为10分钟-50分钟，氢气流量为200sccm-500sccm，甲烷的流量为氢气流量的3％-8％。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成图形化金刚石之后，还包括：通过蚀刻工艺除去所述绝缘基片。

9.由权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的具有图形化金刚石的制品。

10.权利要求9所述的具有图形化金刚石的制品在微光机电系统、微传感器或微加工中的应用。

技术总结
本申请涉及金刚石材料制备领域，提供一种图形化金刚石的制备方法和具有图形化金刚石的制品及其应用。所述图形化金刚石的制备方法包括：在生长基片的表面设置绝缘基片，所述绝缘基片具有图形区，所述表面包括通过所述图形区暴露的暴露区，所述暴露区与所述图形区共同构成金刚石的生长区；对所述生长基片进行化学气相沉积，并施加偏压电场，以在所述生长区内生成金刚石，形成图形化金刚石。本申请的方法可制备出高纵横比的图形化金刚石。

技术研发人员：江南,鲁云祥,王博,褚伍波,杨国永
受保护的技术使用者：宁波杭州湾新材料研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13