热丝CVD金刚石薄膜Auger电子能谱分析

利用Ａｕｇｅｒ电子能谱仪，对热丝ＣＶＤ法生长出的金刚石膜样品进行了表面探测。结果表明热丝系统中钨、钼、石英等材料对金刚石膜的污染影响很小，以至探测不到；生长系统和生长工艺对金刚石膜的质量有较大影响。     

纳米金刚石膜——一种新的具有广阔应用前景的CVD金刚石

以氢气为主要反应气体生长的CVD金刚石膜的晶粒尺寸过大限制了它在某些领域的进一步应用.当晶粒组成降到纳米级时,金刚石膜会表现出许多优异的性能,具有广阔的应用前景.与通常的CVD法生长金刚石的工艺不同,氩气在纳米金刚石的生长过程中发挥着重要作用.纳米金刚石的鉴定和评价是纳米金刚石研究中的重要部分.     

微波等离子化学气相沉积金刚石膜涂层氮化硅刀具

金刚石的成核和生长影响金刚石膜的质量.本文用自制的一种新型的不锈钢谐振腔型微波等离子CVD设备,等离子直径为76mm,均匀的温度分布使得金刚石膜均匀生长,在不同工艺条件下研究Si3N4陶瓷刀具上金刚石涂层的成核质量,用SEM,Raman检测和分析研究了在Si3N4刀具上高速高质量生长金刚石膜涂层的制备工艺,并检测了涂层刀具的切削性能,切削试验表明,在切削18wt;Si-Al合金时,金刚石涂层刀具比未涂层刀具的使用寿命增多10倍以上.     

巴工管涂层条件下金刚石薄膜生长研究

采用热丝ＣＶＤ法，以Ｈ２和ＣＨ４混合气体为气体源，在涂有巴基管的单晶硅基底上，对金刚石薄膜生长进行了优化工艺参数实验。对所得薄膜进行了Ｘ射线衍射、Ｒａｍａｎ光谱和ＳＥＭ检测，结果表明，在适宜的钨丝功率和基底温度条件下，以巴基管为涂层，在硅基底上能快速生成优质的金刚石薄膜，并且金刚石晶形随积时间的延长呈现聚晶倾向。     

直流电弧等离子体喷射法制备氮化碳薄膜研究

以H2、N2和CF4气体为前驱体,用直流电弧等离子体喷射设备在不同基底温度条件下于钼/金刚石过渡层基底上制备了氮化碳薄膜.利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对表面形貌和组织成分进行了表征.结果表明,当基底温度为900℃时,所沉积材料已初具晶型;所沉积材料含有α-C3N4和β-C3N4相成分.同时,提出在金刚石表面制备氮化碳时金刚石相刻蚀和氮化碳相生长同时进行的模型,较好地解释了不同基底温度条件下的膜材料沉积现象.     

基底温度控制方式对直流弧光放电PCVD金刚石膜的影响

如何精确、高效地实现对基底温度的测控,并获得优化的温度参数,对于CVD金刚石制备技术至关重要.本文采用自主研制的具有新型基底温度自动控制系统的直流弧光放电PCVD设备,分别进行了基底温度开环、闭环及开闭环复合控制下的金刚石薄膜制备研究,并采用SEM,激光Raman光谱仪对所制备薄膜的形貌品质进行了分析.研究结果表明:基底温控方式的不同会明显影响CVD金刚石膜的晶体、生长特征及品质,尤其造成了薄膜生长中二次形核密度以及非金刚石成分的显著变化;在保证系统稳定运行的前提下,当其它沉积参数恒定时,受控下的基底温度控制精度及控制品质的实时变化是影响CVD金刚石膜生长性能的主要因素,其中控制精度介于±5℃～±15℃间变化,而控制品质受控制方式的影响较大;相对于控制精度而言,控制品质的变化对常规金刚石薄膜生长性能的影响更为明显.对于此系统,只有采用开-闭环复合控制,且开环流量维持在其单独工作流量的20;时,才能保证基底温度控制精度、控制品质及所制备的CVD金刚石薄膜的质量最佳.     

金刚石膜热沉金属化Ti/Ni/Au体系的研究

利用电子束蒸镀实现了Ti/Ni/Au多层膜在CVD金刚石膜上的金属化,并研究了预处理和后处理工艺对多层膜在基底上结合的影响,发现高温预处理对多层膜和基底的结合有明显的改善.参照国标GJB 126-86进行了热循环试验,未发现多层膜从金刚石膜脱落.利用背散射谱研究了Ti/Ni/Au金属化体系在真空中分别加热400℃和500℃,60 min 金属层的热稳定性.结果发现:优化工艺金刚石膜和金属层间的良好结合和稳定性满足金刚石膜热沉应用的要求.     

大面积球面金刚石膜的均匀沉积研究

利用直流电弧等离子体喷射法沉积装置在底径65 mm、高5 mm的Mo球面衬底上制备出厚度大于500 μm金刚石膜.用千分尺测量膜径向厚度以判断膜厚均匀性,用SEM观察膜的表面形貌,用拉曼谱仪测量膜的表面纯度,通过分析电镜形貌和拉曼谱峰的分布特点来判断金刚石膜的质量均匀性.结果表明,在优化工艺条件下,直流电弧等离子体喷射法设备可以在球面Mo衬底上生长出厚度和质量都比较均匀的半透光的自支撑球面金刚石厚膜.     

热丝CVD在涂巴基管硅基片上沉积大面积金刚石膜

本文采用多排热丝化学上沉积法在涂巴基管的硅基底上沉积金刚石膜，研究了金刚石膜的生长面积和质量均匀性。实验结果表明，随着热丝数量增加，金刚石膜的面积增加，随着丝底距增加和真空度提高，金刚石膜的质量均匀性提高。     

直流电弧等离子体喷射化学气相沉积高质量金刚石膜残余应力分布的拉曼谱分析

不同工艺条件下在钼衬底(φ60mrn)上用100kW直流电弧等离子体喷射化学气相沉积设备进行金刚石膜的制备。金刚石膜用扫描电镜(SEM)、拉曼谱(激光激发波长为488m)和X射线衍射来表征。研究结果表明，在直流电弧等离子体喷射化学气相沉积金刚石膜的过程中，内应力大小从金刚石膜的中央到边缘是增加的，并且应力形式是压应力。这说明了在金刚石膜中存在明显的应力不均。甲烷浓度和衬底温度都影响金刚石膜中的内应力。随着甲烷浓度和衬底温度的提高，金刚石膜中的内应力呈增加的趋势。     

工艺参数对高功率MPCVD金刚石膜择优取向的影响研究

使用自行研制的椭球谐振腔式MPCVD装置,以H2-CH4为气源、沉积功率8 kW条件下,在不同CH4浓度、沉积温度和气体流量工艺条件下制备了大面积金刚石膜.使用X射线衍射仪对金刚石膜的择优取向的变化规律进行了研究.实验结果表明,高功率条件下工艺参数对金刚石膜的择优取向有不同程度的影响.在CH4浓度由0.5;上升到1.0;时,金刚石膜的择优取向由(220)转变为(111),由1.O;上升到2.5;时,则由(111)转变为(220)以及(311);在700 ～ 1050℃温度范围内,随着沉积温度的升高,金刚石膜(111)择优取向生长的倾向增高,当沉积温度高于1050℃时,金刚石膜改变了原先的以(111)择优取向生长的趋势,变为了以(100)择优取向生长;在气体流速为200～1000 sccm范围内时,随气体流量的增加,金刚石膜(111)择优取向的倾向增加.当气体流量大于1000sccm时,金刚石膜(111)择优取向的倾向又稍有降低.     

硫硒元素掺杂金刚石表面的生长位点研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了硫(S)掺杂、硒(Se)掺杂以及硫硒共掺杂金刚石基底对化学气相沉积金刚石涂层时的不同活性基团的吸附生长过程，计算分析了三种不同基底对沉积气氛中不同碳氢基团(C、CH、CH₂、CH₃)的吸附能、Mulliken电荷分布和化学键重叠布居数等性质。计算结果表明：硫掺杂模型与C、CH和CH₂之间，硒掺杂模型与C、CH基团之间，硫硒共掺杂模型与C、CH和CH₂之间都通过电荷转移形成了共价键，硫掺杂模型与CH基团以及硫硒共掺杂模型与C基团之间的成键很接近理想金刚石的C—C键，添加硫元素和硒元素可以在原有的金刚石颗粒同质外延生长的基础上增加更多生长活性位点。     

用镀有钛过渡层的钼衬底制备无裂纹自支撑金刚石膜

为了解决金刚石膜脱膜开裂的问题,尝试了一种复合衬底,即镀有钛过渡层的钼衬底.利用直流等离子体喷射法在复合衬底上制备了不同厚度无裂纹的自支撑金刚石膜.用扫描电镜(SEM)、拉曼谱和X射线衍射表征金刚石膜的特征,并检测了其断裂强度.结果表明,用复合衬底制备的金刚石膜在950℃具有最小半高宽,在实验温度下所获得的金刚石自支撑膜的断裂强度均超过了500MPa.     

合成CVD金刚石涂层用硬质合金基体预处理工艺优化研究

以CH3COCH3和H2为反应气源,采用热丝CVD法在经过两步法和三步法预处理的YG6硬质合金(WC-6wt;Co)基体上沉积金刚石涂层.利用扫描电子显微镜和能谱仪分析检测预处理后的YG6基体的表面形貌和钴含量,通过对比三步法与两步法的预处理结果确定三步法最佳工艺.利用扫描电镜、X射线衍射仪和硬度计检测所得金刚石涂层的表面形貌、结晶性和膜基结合性.结果表明:三步法最佳工艺为先采用酸溶液腐蚀20 s,然后采用碱溶液腐蚀20 min,最后继续用酸溶液腐蚀3 min.三步法预处理后的YG6基体获得的金刚石薄膜生长更加均匀致密,晶粒取向更高,膜基结合性能更好.     

大面积B掺杂CVD金刚石膜的制备研究

研究了采用B2O3作为掺杂源以EACVD法沉积大面积掺杂CVD金刚石膜,用SEM、Raman、二次离子质谱仪、四探针电阻仪等对B掺杂金刚石膜进行了分析.结果表明直径达100mm的大面积B掺杂金刚石膜的晶粒分布均匀,非金刚石碳含量较少,生长速率达到10μm/h以上;B掺杂改变了金刚石膜的成分和结构,高浓度掺杂可以细化晶粒,在高浓度掺杂的膜中存在一定的非晶态碳;金刚石膜中B的含量在一定范围内随着掺杂源浓度的增加而正比增加;金刚石膜的电阻率随着掺杂源B2O3的浓度的增加而下降,当掺杂达到一定浓度时,金刚石膜的电阻率逐渐趋向稳定.     

直流电弧等离子体喷射化学气相沉积高质量金刚石膜残余应力分布的垃曼谱分析

不同工艺条件下在钼衬底(φ60mm)上用100 kW直流电弧等离子体喷射化学气相沉积设备进行金刚石膜的制备.金刚石膜用扫描电镜(SEM)、拉曼谱(激光激发波长为488nm)和X射线衍射来表征.研究结果表明,在直流电弧等离子体喷射化学气相沉积金刚石膜的过程中,内应力大小从金刚石膜的中央到边缘是增加的,并且应力形式是压应力.这说明了在金刚石膜中存在明显的应力不均.甲烷浓度和衬底温度都影响金刚石膜中的内应力.随着甲烷浓度和衬底温度的提高,金刚石膜中的内应力呈增加的趋势.     

巴基管涂层金刚石薄膜的成核率与生长速率研究

本文对热丝ＣＶＤ法沉积金刚石的形成过程进行了研究，建立了以巴基管为涂层在硅片上学积金刚石薄膜的成核率以及生长速率随时间的曲线，由此得出金刚石晶粒的成核经历孕育期，快速增长期和饱和期这三个连续的阶段，随后膜层继续生长增厚的速度逐渐趋于恒定。     

基于ANSYS的HFCVD金刚石厚膜的热应力分析

金刚石膜中的热应力会削弱金刚石薄膜与基底之间的粘结强度和金刚石膜的机械性能,更严重的会使CVD膜产生热裂纹甚至出现"炸膜"现象.本文根据HFCVD金刚石膜沉积过程中实际工作状态的边界条件,通过有限元软件ANSYS计算分析HFCVD金刚石膜中的热应力分布,并通过实验进行了验证,获得了HFCVD膜中热应力的分布规律以及金刚石膜半径、厚度、沉积温度和冷却速度四项实验条件对热应力的影响.研究结果表明:热应力沿径向分布是不均匀的,在边缘部分有突变;金刚石膜的膜厚,冷却速度和沉积温度对金刚石膜中的热应力影响很大,而金刚石膜的半径对膜中热应力影响较小,从而为HFCVD金刚石膜中热应力的预测与控制提供依据.     

直流电弧等离子体区域电弧分布特征对自支撑金刚石膜性质的影响

直流电弧等离子体喷射法制备自支撑金刚石膜时,电弧区域可分为弧心、弧干和弧边三个区域.本文运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光Raman光谱、正电子湮没寿命谱(PAL)和力学性能实验机研究了同一块自支撑金刚石膜不同区域的生长面形貌、晶体取向、内应力、空位缺陷和断裂强度.结果表明:随着与直流电弧等离子体弧心距离增加金刚石膜生长更稳定,(220)取向晶粒减少,平均空位缺陷减少,内应力和断裂强度呈现先增大后减小的趋势.     

圆柱形和椭球形谐振腔式MPCVD装置中微波等离子体分布特征的数值模拟与比较

在使用简化的等离子体放电模型的基础上,模拟了圆柱形和椭球形谐振腔式微波等离子体金刚石膜沉积设备中,不同金刚石膜生长条件下微波等离子体的分布状态.对不同的微波输入功率、不同气体压力条件下,两种谐振腔式设备中形成的等离子体分布的变化规律进行了模拟.模拟结果表明,椭球形谐振腔的质量因子要高于圆柱形谐振腔;并且,椭球形谐振腔更适合用于高功率、高压力的金刚石膜沉积环境.这意味着,使用椭球形谐振腔,可获得更高的金刚石膜生长速率.