熱絲法CVD金剛石制備技術(shù)

1、CVD 金剛石制備技術(shù)CVD CVD 金剛石生長(zhǎng)技術(shù)之一。本文將CVD 金剛石與 CVD 金剛石品質(zhì)評(píng)價(jià)等方面做了簡(jiǎn)要闡述。指出，這種方法雖然簡(jiǎn)潔，但很有用?，F(xiàn)有工藝根底上，只要不斷對(duì)其裝備進(jìn)展完善與工藝參數(shù)優(yōu)化，同樣可以生長(zhǎng)出晶體尺寸大、質(zhì)量上剩金剛石來(lái)。1.引言80 年月初，日本N。Setaka CVD 法沉積出了高質(zhì)量多晶金剛石膜1CVD 法、微波等離CVD CVD 法、直流等離子關(guān)心CVD 法等。熱絲法化學(xué)氣相沉積金剛石膜過(guò)SP3 上碳原子(c)SP3 C-H SP3 熱絲排布方式。目前有代表性CVD 金剛石生長(zhǎng)技術(shù)大面積熱絲CVD 技術(shù)大功率(35kW 或更高)微波技術(shù)。CVD 30

2、0mm 以SP3CrystallameCVD-diamond、Diamonex、DDK 等公司。20 年來(lái)，我國(guó)開(kāi)發(fā)了大局部世界上現(xiàn)有CVD CVD 金剛國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，技術(shù)國(guó)際上也屬領(lǐng)先水平。由于熱絲化學(xué)氣相沉積HFCVD金剛石薄膜技術(shù)本錢較低，設(shè)備簡(jiǎn)潔，而且易于大面積生CVD 法需要 石薄膜，因此有必要對(duì)其影響因素進(jìn)展?fàn)庌q。2 熱絲化學(xué)氣相沉積原理熱絲化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜利用高溫2200左右熱絲鎢絲、鉭絲將 CH4H2 CVD 法沉積金剛石薄膜利用高自由能碳原子，較低溫度下 碳轉(zhuǎn)化為 SP2 構(gòu)造石墨，少局部轉(zhuǎn)化為 SP3 構(gòu)造金剛石，沉積過(guò)程原子氫起到了轉(zhuǎn)化 SP2 SP3 金剛石作用。3

3、.基體材料選擇CVD 金剛石薄膜制備基體材料可分為三類:(1).Si、Ti、Cr、SiC、W、Mo;(2).Fe、Co、Ni;(3).Cu、Au 等。目前普遍被承受基體材料有:硬質(zhì)合金(WC-Co)、硅(Si)、不銹鋼、高速鋼、鉬(Mo)等。預(yù)處理技術(shù)制約金剛石薄膜涂層工具走向市場(chǎng)化關(guān)鍵問(wèn)題金剛石薄膜與硬質(zhì)合金襯底附著力低:研磨劑研磨據(jù) Makita 等報(bào)道，承受納米級(jí)金剛石粉對(duì)硬質(zhì)合金基體進(jìn)展超聲研磨，可獲得較高形核密度(21011cm2)，從而很大程度上提高了金剛石薄膜與基體附著力?；瘜W(xué)腐蝕如何提高金剛石膜與硬質(zhì)合金基體之間附著力始終 CVD 金剛石膜涂層工具爭(zhēng)辯開(kāi)發(fā)關(guān) 工研磨等過(guò)程，大大

4、提高了襯底預(yù)處理效率。同時(shí)該方法避開(kāi)了傳統(tǒng)兩步法強(qiáng)酸腐蝕去 Co 帶來(lái)危急，以及腐蝕時(shí)間短操作上不便，具有較好應(yīng)用前景2。沉積間過(guò)渡層 入基底，并防止 Co 沉積溫度下從基底深處向外表集中，從而影響金剛石生長(zhǎng)。為解決這一(厚度為 0.011m)可先基底上生長(zhǎng)一層或多層(厚度為 0.011m)物理性質(zhì)介于基體材料與金剛石薄膜之間達(dá)過(guò)渡層。選用過(guò)渡層時(shí)應(yīng)遵守幾點(diǎn)原則:熱膨脹系數(shù)適，可釋放金剛石薄膜與基體之間熱應(yīng)力;與金剛石薄膜硬質(zhì)合金要有較好粘結(jié)性能;化學(xué)性能穩(wěn)定，具有肯定機(jī)械強(qiáng)度;Co Co 3。沉積金剛石薄膜之前，鎢絲必需經(jīng)過(guò)“燒絲”處理，即碳化過(guò)程。 “燒絲”后還要對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)展“燒氫”處理

5、，馬上基體固定載物臺(tái)上，用機(jī)械泵抽真空后，通入氫氣，漸漸加熱鎢絲至 2300并恒定 0.5h，氫高溫下解理激發(fā)成氫原子、離子等，真空系統(tǒng)經(jīng)過(guò)這些活性原子、離子轟擊后，基體雜質(zhì)含量大大削減氫”處理為金剛石薄膜沉積供給了一個(gè)穩(wěn)定干凈環(huán)境。核密度。溫度 20222200H2 離解成H 原子量少，對(duì)氫氣碳?xì)浠衔锲鸩坏健按呋弊饔?，也就形不成金剛石薄膜。假設(shè)熱絲溫度過(guò)高，外表形成碳化鎢合金會(huì)揮發(fā)， 從而造成基體污染。H 原子與CH3 自由基置換速率等參數(shù)變化。由于金剛石高于 1200時(shí)將發(fā)生石墨化，故基體溫度不能超過(guò) 1200。目前，一般6001100溫度下沉積金剛石薄膜。6 氣壓沉積室壓力大小確定了

6、基體上氣體密度及氣體之間碰撞幾率速率高金剛石薄膜。目前普遍承受氣壓范圍幾個(gè)kPa kPa 范圍4。濃度陳志紅等承受熱絲化學(xué)氣相沉積法，以甲烷氫氣為反響氣體，硬質(zhì)合金 YG6 基體上沉積了金剛石薄膜，爭(zhēng)辯了不同甲烷濃度對(duì)金剛石織構(gòu)變化趨勢(shì)影響，指出合金粘結(jié)相鈷對(duì)金剛石形核有不利影響，主要有:與碳反映導(dǎo)致金剛石溶解；始終金剛石相形核；增加非晶碳含量。這些音色嚴(yán)峻降低膜附著力。為了提高膜基結(jié)合力，則要減小鈷不利影響。以一般通過(guò)沉積Cr, cu 等過(guò)渡層阻擋鈷集中；通過(guò)化學(xué)方法腐蝕鈷；通過(guò)形成穩(wěn)定金屬間鈷化合物。CH4 C 來(lái)源，他不僅影響金剛石薄膜成核，生長(zhǎng)構(gòu)造，而且對(duì)織構(gòu)100晶面取向生長(zhǎng)有很大影

7、響。當(dāng)碳源濃度為 1%時(shí)有少量100面，外表由晶?；?qū)\晶尖角棱組成。當(dāng)碳源濃度為 3.3%時(shí)晶粒呈立方體構(gòu)造，晶粒外表為100晶面，晶形完整。4%時(shí)，薄膜呈現(xiàn)球形大顆粒，晶粒晶形變差，外表較粗糙。當(dāng)碳源濃度為 5%時(shí)晶粒比較細(xì)小均勻，形貌呈現(xiàn)多晶，以球狀消滅，小球放大以后，可看到它由很多晶粒聚攏而成，外表較光滑。由此可以看出，當(dāng)甲烷濃度較低時(shí)3.3%H sp2 石墨碳有CH3-sp2 棱角清楚，沒(méi)有二次形核。雖然晶形較好，但膜制密度較低，孔洞較多。隨著甲烷濃度提高，二次形核增多，金剛石膜晶形變差。主要由于活性 H 濃度降低，不能完全刻蝕石墨，使其夾雜于金剛石晶體。用熱絲化學(xué)氣相沉積方法，P=4

8、103Pa,T=670，甲烷濃度從1%到 5%工藝參數(shù)下，都可以獲得110織構(gòu)金剛石薄膜。當(dāng)甲烷濃度為5%，金剛石110織構(gòu)取向更強(qiáng)。其他參數(shù)不變狀況下，濃度為 3.3%，金剛石膜有100織構(gòu)。金剛石顆粒晶形完整，3.3%金剛石薄膜呈多晶構(gòu)造， 晶粒沒(méi)有肯定晶形，薄膜較致密，有明顯二次形核5。負(fù)偏壓使用偏壓恒流法把握熱絲化學(xué)氣相沉積工藝硅基板上成功制備了大面積 (100mm)均勻分布納米金剛石膜。甲烷氫氣混合氣甲烷與氫氣體積比為1.5%電流密度 5.3A/cm2 下，得到了10nm6.9nm 高質(zhì)量納米金剛石膜。 爭(zhēng)辯說(shuō)明，加，金剛石成核密度增加，晶粒尺寸減小外表粗糙度變小。試驗(yàn)結(jié)果顯示，2.

9、2mA/cm23.5mA/cm25.3mA/cm26.6mA/Cm2 四種不同電流密度下， 5.3mA/cm2 電流密度2.9109 個(gè)/cm2 成核密度，但6.6mA/cm2 電流密度下，硅基底消滅損傷，金剛石晶核遭到破壞，不能保持完整晶形，形核密度反而下降，這主要太強(qiáng)正離子轟擊所致。試驗(yàn)還顯示，0.8%3%2.2mA/cm2 電流密度下成核狀況，甲烷體積比為 0.8%時(shí)，一個(gè)菜花狀晶形被明顯觀看到。甲烷對(duì)氫氣體體積比為 3%時(shí)， 6。CVD 金剛石CVD 少工藝。對(duì)于一般 CVD 金剛石膜，不能承受電火花機(jī)械復(fù)合研磨、拋光等加工PCD 方法設(shè)78。爭(zhēng)辯說(shuō)明，CVD CVD CVD 金剛石工

10、具壽命有較明顯提高911CVD 金剛石導(dǎo)電性，這使得 CVD 金剛石膜電加工成為可能12。薄膜品質(zhì)評(píng)價(jià)方法Raman 光譜測(cè)量薄膜構(gòu)造、純度膜內(nèi)應(yīng)力狀況;10.2.X 射線衍射分析薄膜層金剛石晶面構(gòu)造;用掃描電鏡觀看薄膜形貌、成核速率生長(zhǎng)速度;用紅外光譜分析薄膜紅外透過(guò)率;用鼓泡法測(cè)量金剛石膜彈性模量、泊松比、剩余應(yīng)力等13。參考文獻(xiàn)董長(zhǎng)順，玄真武等，CVD 金剛石膜技術(shù)爭(zhēng)辯進(jìn)展綜述J國(guó)超硬材料，2022，31217CVD 金剛石涂層硬質(zhì)合金襯底預(yù)處理方法爭(zhēng)辯J.金剛石與磨料磨具工程，2022，1:14陳成功，提高 CVD 金剛石涂層刀具附著力應(yīng)用爭(zhēng)辯J超硬材料工程，2022，6:2123，1

11、:4144，2:2124郭鐘寧，王成勇等，CVD 金剛石膜拋光技術(shù)J.工具技術(shù)，2022，33(6)37Tang C J，Neves A J，et al.，A new elegant technique for polishing CVD diamondfilmsJ.Diamond and Related Materials，2022，12(8)14111416Brunet F，Germi P，Pernet M，Micro-structural study of boron doped diamond films byX-ray diffraction profiles analysisJ.Thin Solid Films，2022，322143147wang Chunlei，Akimitsu Hatta，et.al.，Investigation of distribution of defects andimpurities in boron-doped CVD diamondfilm by cathodoluminescence spectroscopyJ.Thin Solid Films，2022，308/309279283CremerR，MertensR，et.al，F(xiàn)ormationofintermetalliccobaltphasesinthenearsurface