大面积生长金刚石相关物理参量的空间分布

研究了在热丝化学气相生长金刚石的过程中,衬底温度,衬底表面附近的气体温度以及气流的质量流密度分布对金刚石膜的形核和生长的影响模拟计算结果表明,这三个参量是空间位置的函数,在某些区域,这三个参量均匀分布当热丝阵列面与衬底间距离超过7mm之后,这三个参量在衬底上有一个较大的均匀区域,在该区域的两侧,各参量值显著变化在衬底中心的均匀区域,金刚石膜晶形清楚而致密;偏离该区域,这三个参量数值明显下降,形核密度和生长速度较低,三个参量值均匀的区域可作为金刚石大面积均匀的形核和生长的位置.     

热丝法沉积金刚石膜工艺参数优化的微观机理与预测

弄清化学气相沉积金刚石膜的机理对优化工艺参数具有指导意义。在前期工作中，作者辨析了氢原子、甲基和乙炔在金刚石膜沉积中的作用。本文建立了两个微观指标，即甲基浓度和氢原子与乙炔浓度的比值，分别对应生长金刚石和刻蚀非金刚石碳。通过对G-H和G-H-O反应气氛的模拟，讨论了这两个指标与灯丝温度、气源组成和气压的关系，并构建了含氧气氛生长金刚石的G-H-O三元相图。对热丝法沉积金刚石膜的工艺参数的优化选择进行了机理分析与预测。为工业化生产金刚石膜提供了参考。     

热丝CVD大面积金刚石薄膜的生长动力学研究

在传统工业型热丝化学气相沉积（HFCVD）反应腔内，相关工艺参数取模拟计算优化值的条件下，采用XRD，SEM及Raman光谱等分析手段研究了单晶Si（100）上较大面积金刚石薄膜的动力学生长行为，讨论了晶格取向的变化规律。结果表明：优化工艺参数条件下，在模拟计算的衬底温度和气体温度分布均匀的区域内，沉积的金刚石薄膜虽存在一定的内应力，但整体薄膜连续、均匀，几何晶形良好，质量较高，生长速率达1．8μm／h。薄膜生长过程中晶形显露面受衬底温度和活性生长基团浓度的影响较大。     

热丝法沉积金刚石膜工艺参数优的微观机理与预测

弄清化学气相沉积金刚石膜的机理对优化工艺参数具有指导意义.在前期工作中,作者辨析了氢原子、甲基和乙炔在金刚石膜沉积中的作用.本文建立了两个微观指标,即甲基浓度和氢原子与乙炔浓度的比值,分别对应生长金刚石和刻蚀非金刚石碳.通过对C-H和C-H-O反应气氛的模拟,讨论了这两个指标与灯丝温度、气源组成和气压的关系,并构建了含氧气氛生长金刚石的C-H-O三元相图.对热丝法沉积金刚石膜的工艺参数的优化选择进行了机理分析与预测,为工业化生产金刚石膜提供了参考.     

Simulations of the Dependence of Gas Physical Parameters on Deposition Variables during HFCVD Diamond Films

During the growth of the hot filament chemical vapor deposition （HFCVD） diamond films, numerical simulations in a 2-D mathematical model were employed to investigate the influence of various deposition parameters on the gas physical parameters, including the temperature, velocity and volume density of gas. It was found that, even in the case of optimized deposition parameters, the space distributions of gas parameters were heterogeneous due primarily to the thermal blockage come from the hot filaments and cryogenic pump effect arisen from the cold reactor wall. The distribution of volume density agreed well with the thermal round-flow phenomenon, one of the key obstacles to obtaining high growth rate in HFCVD process. In virtue of isothermal boundary with high temperature or adiabatic boundary condition of reactor wall, however, the thermal roundflow was profoundly reduced and as a consequence, the uniformity of gas physical parameters was considerably improved, as identified by the experimental films growth.     

热丝法化学气相沉积金刚石系统温度分布与薄膜生长关系研究

对热丝化学气相沉积金刚石薄膜系统内的三种传热方式（传导、对流和辐射）进行了比较分析,数值计算了气相空间温度分布和衬底表面二维温度分布。采用热丝化学气相沉积工艺制备了金刚石薄膜,扫描电镜结果显示金刚石薄膜在不同生长区域呈现出与温度分布相关的微观结构与形貌。     

化学气相沉积金刚石膜

详细讨论了金刚石膜的化学气相沉积方法、特性及生长机理。指出了今后的研究重点。     

HFCVD金刚石膜过程的气氛模拟与分析

对热丝法化学气相沉积金刚石膜过程的气氛进行了模拟与分析。使用GRI－Mech3.0甲烷燃烧过程C／H／O／N四元体系热化学反应机理和动力学数据，模拟并分析了HFCVD金刚石膜的C／H气相化学反应，通过对反应流的简单模拟得到了衬底位置气相组成，结果与前人实验数据吻合，探讨了灯丝温度、碳源浓度和碳源种类等因素变化对衬底位置气相组成的影响。结果表明甲基是金刚石膜生长最主要的前驱基团，其作用远高于乙炔，而超平衡态原子氢的存在对金刚石膜的质量至关重要。     

低压气相生长金刚石薄膜

在低压下,以甲烷和氢的混和气为原料,应用热丝 CVD 法,在 Si 基片上生长出了金刚石薄膜。经 X 射线衍射、激光刺曼光谱和扫描电子显微镜分析,生长产物呈多晶金刚石结构。探讨了金刚石薄膜的生长机理。     

类金刚石膜的应用及制备

类金刚石膜（DLC）是由无定形碳和金刚石相混合组成的碳材料，由于具有与金刚石膜（DF）相类似的性能－优异的机械特性、电学特性、光学特性、热学和化学特性以及生物相溶性，同时制备方法相对容易实现，因此引起人们极大兴趣，现在已经应用到很多领域。本文将简要介绍类金刚石膜的性能、应用以及制备方法。     

温度场对热丝化学气相沉积大面积生长金刚石膜的影响

用１００×１００ｍｍ大面积加热器进行了气相生长金刚石膜试验，对得到的金刚石膜样品作了拉曼光谱分析，并用扫描电镜观察了不同空间区域中金刚石形核的特点．拉曼光谱和扫描电镜观察的结果，均给出了与温度分布特点较好的对应．本研究的结果，指出厂热丝法大面积气相生长金刚石膜工业应用的可能性．     

热丝法化学气相沉积大面积金刚石膜中辐射场和温度场的尺寸效应

对热丝法化学气相沉积金刚石膜中的辐射场和温度场进行了计算，结果表明，在样品平面沿Ｘ，Ｙ方向均辐照度（温度）区的线性尺寸比高温梯度区的尺寸快速增大，沿Ｚ方向均匀辐照度（温度）区的深度随样品到加热丝距离的增加而增大，辐照度（温度）的大小可通过改变加热丝间距得到控制。     

微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置的研究进展

综述了各种微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）金刚石膜装置的结构及工作原理,并对它们各自的优缺点做了比较分析;基于MPCVD金刚石膜装置的发展现状,构想设计了一种新型高效的大功率大面积快速沉积CVD金刚石膜装置,并对其可行性做了初步分析研究。     

Cutting Performance and Wear Mechanism of Multilayer Diamond-Coated Tools

Monolayer and multilayer diamond films are deposited on WC-Co cemented carbide by hot-filament chemical vapor deposition. The growth characteristics of diamond coatings are analyzed. Cutting performance characteristics such as tool life and the stability of machining process in the machining of presintered ZrO₂ are compared based on the variation of cutting speed and resultant cutting force, and workpiece surface roughness. For the monolayer diamond coatings, as the concentration of CH₄ increases from 1% to 5%, the diamond crystal is transformed from micron columnar crystal to nanocluster crystal. The multilayer diamond coatings combine the advantages of micron- and nanocrystalline structures. The multilayer diamond-coated tool exhibits longer service life and better machining quality. Because of the appearance of the brittle–plastic conversion mechanism, the surface integrity of ZrO₂ processed by multilayer diamond-coated tool is relatively high. As for the uncoated tool, the workpiece is mainly machined by brittle spalling. The interfacial stratified fracture system between the interlayers is proposed to be the toughening mechanism of the multilayer structure.     

CVD金刚石的形核和生长

应用自制的热解丝CVD装置,研究了在金刚石沉积过程中改变甲烷浓度对其形核和生长的影响。结果表明,金刚石形核后,增加甲烷浓度,仍然可以在硅基底表面继续形成新的晶核。但是甲烷浓度由0．6％逐渐增加到1．2％时,所得最终形核密度比一开始就将甲烷浓度设为1．2％的形核密度低。新晶核比先形成的晶核具有较大的长大速度,随后所有晶核尺寸逐渐趋向相同。     

磁镜场在直接耦合式微波等离子体CVD金刚石膜装置中的应用

在自行设计的直接耦合石英管式微波等离子体化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）金刚石膜装置的石英管反应腔加上磁镜场来约束等离子体,使等离子体球成为“碟盘”状,提高了等离子体球的密度,在基本参数为反应压力2.5kPa、基片温度450℃、Ar、CH4、H2气体流量分别为40sccm、4sccm、60sccm,则沉积面积可由30mm增长到50mm,沉积速率由3.3μm/h增长到3.8μm/h,反射电流由15μA减小到5μA。从而大大减少了薄膜在石英管壁和观察窗上的沉积,更好地利用微波能量,有效利用电离的活性基团沉积出高质量的金刚石薄膜。     

CVD金刚石薄膜的成核机制

已有许多有效的方法来提高ＣＶＤ金刚石薄膜的成核密度，但成核机理仍有很多问题，本文简要介绍作者在这方面的一些工作。     

基片位置对微波等离子体合成金刚石的影响

用自制的微波功率为5kW的微波等离子体(MPCVD)装置、用H2/CH4/H2O作为反应气体在较高的沉积气压(12.0kPa)条件下,研究了基片放置在等离子体球边缘附近不同位置对CVD金刚石沉积和生长的影响。结果表明,CVD金刚石的形核和生长对环境的要求是不同的;在等离子体球边缘处不利于金刚石的形核,但有利于高质量金刚石的沉积。