高取向低粗糙度金刚石薄膜生长的研究

目的研究热丝化学气相沉积(HFCVD)工艺对金刚石薄膜生长的影响,确定影响金刚石薄膜生长的因素。方法采用热丝CVD法,以丙酮为碳源,在不同晶面的Si衬底上沉积金刚石薄膜,通过金相显微镜、X射线衍射仪分析薄膜生长特性。结果不同沉积温度下生长的金刚石薄膜表面形貌差异很大。在高、低碳源浓度下分别获得了(400)和(111)晶面取向的金刚石薄膜。采用分步沉积法,改善了成膜的效率。结论气源浓度和生长温度是影响金刚石薄膜生长的重要因素,分步沉积法对于金刚石薄膜的生长有较大影响。     

热丝CVD金刚石涂层研究

用热丝法在硬质合金基体上沉积出金刚石涂层,对涂层的成分、结构、形貌、切削性能等进行了分析,结果证明用热丝法可获得较理想的金刚石薄膜。由于金刚石薄膜优良的使用性能和低成本,使其在工具应用方面有较广泛的市场,因此,加快其产业化的研究、扩大其产业规模,加快进入商品化阶段是CVD金刚石涂层的发展方向。     

碳源浓度对金刚石薄膜涂层刀具性能的影响

用热丝ＣＶＤ法,以丙酮为碳源,在ＷＣ－Ｃｏ硬质合金衬底上沉积金刚石薄膜,研究了碳源浓度对金刚石薄膜涂层刀具性能的影响,结果表明,碳源浓度对金刚石涂层薄膜质量、形貌和粗糙度、薄膜与衬底间的附着力、刀具的耐用度用度发削性能有显著影响,合理控制碳源浓度对获得实用化的在硬质合金刀具基础上沉积高附着强度、低粗糙度金刚石薄膜的新技术具有重要的意义。     

实验参数对金刚石薄膜内应力的影响研究

采用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在硬质合金基体上制备金刚石薄膜涂层,采用SEM观察金刚石薄膜形貌,采用Raman光谱法分析制备的金刚石薄膜与基体的内应力。变化丝基间距、偏流、碳浓度等参数,通过测定拉曼光谱单一谱峰的位移Δω计算涂层的内应力,从而得到制备内应力较小的金刚石膜的工艺参数范围。     

化学气相沉积金刚石膜工业应用

成果成熟程度 已经解决在硬质合金衬底上生长均匀致密、附着 良好的金刚石膜的技术 成果的特点 金刚石薄膜涂层硬质合金工具由于性能优异、成 本相对较低(与PCD和金刚石厚膜钎焊工具相比)、可 以适应于复杂形状工具衬底沉积、以及可能大批量沉 积等优点,具有非常好的市场前景. 金刚石薄膜涂层硬质合金工具开发的关键是解决 金刚石薄膜在硬质合金衬底上的生长(沉积)和良好附 着的技术.本项目成果采用独特的衬底预处理和优化 的金刚石膜沉积工艺已经解决了Co对金刚石膜生长 和附着的有害影响问题.在YG类硬质合金工具衬底 所沉积的金刚石膜涂层厚度最大可达20～30μm.用洛 氏硬度压痕法评定的金刚石膜附着力时的无裂纹临界 载荷达1500N以上.在铣削A1-12wt%Si合金时,金 刚石薄膜涂层的YG6铣刀比未涂层硬质合金刀片使 用寿命可提高13倍以上.     

加工氧化锆陶瓷的金刚石涂层刀具的制备及切削试验研究

使用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在硬质合金片以及球头铣刀表面沉积了微米金刚石薄膜(MCD),纳米金刚石薄膜(NCD)以及微米纳米复合金刚石薄膜(MNCD),通过扫描电子显微镜和拉曼光谱对其进行表征,结果呈现出典型的金刚石薄膜的性质,沉积质量高。金刚石薄膜与氧化锆陶瓷的摩擦磨损实验表明:金刚石薄膜能有效地降低对磨时的摩擦系数以及磨损率。使用三种金刚石薄膜涂层铣刀对氧化锆陶瓷进行铣削加工试验,结果显示:金刚石涂层刀具磨损率大幅度降低,刀具寿命显著增强。     

采用热丝CVD法在多种基材上沉积金刚石薄膜

热丝法是一种比较成熟的气相合成金刚石膜的方法,其其它方法比较,热丝法在工艺参数对金刚石薄膜的结构和质量的影响、界面的形成、薄膜生长各阶段的特征等方面的基础研究及各种应用研究上有其特征的优越性。本文采用热丝法在ＳｉＣ昌须增强Ｓｉ３Ｎ４陶瓷、ＡＩＮ陶瓷、Ｓｉ单晶片、Ｍｏ片等基材上沉积出金刚薄膜,并通过ＴＥＭ和ＳＥＭ进行观察,分析和研究了影响金刚石薄膜沉积的因素．     

热丝CVD金刚石涂层硬质合金衬底两步法预处理的研究

研究了引入超声振动后酸碱两步法预处理对硬质合金衬底表面去Co催石墨化作用。采用偏压增强辅助热丝化学气相沉积(HFCVD)法,在硬质合金衬底上沉积了一层均匀、光滑的金刚石薄膜。研究结果表明:在酸碱两步法预处理过程中引入超声振动,能够有效的去除硬质合金衬底表面的Co元素,衬底表面发生了明显的粗化;采用Murakami试剂超声振动20 min腐蚀WC相,再用V(H2SO4)∶V(H2O2)=3∶7混合溶液超声振动30 s去除Co相,金刚石薄膜形核密度高、结晶质量好。这说明了超声酸碱两步法预处理能够有效的抑制钴对金刚石薄膜的不利影响,对提高金刚石薄膜与基体之间的附着力起着非常重要的作用。     

沉积温度对硬质合金基体表面硼掺杂金刚石涂层性能的影响（英文）

采用热丝化学气相沉积法在硬质合金基体表面沉积一层硼掺杂金刚石(BDD)薄膜,沉积温度为450~850℃。研究沉积温度对硬质合金基体表面硼掺杂金刚石涂层性能的影响。研究结果表明,硼掺杂明显有助于提高金刚石涂层的生长速率。当沉积温度为650℃时,BDD薄膜在硬质合金基体表面的生长速率可达到544 nm/h。这可能是由于反应气体的硼原子降低了薄膜生长的激活能(53.1 k J/mol),从而加快了沉积化学反应速度。此外,拉曼光谱和X射线衍射结果显示,高浓度硼掺杂(750和850℃)会破坏金刚石的晶格结构,从而使薄膜内缺陷增加。综上,硬质合金基体表面BDD薄膜的优选沉积温度范围为600~700℃。     

硬质合金基体腐蚀工艺对金刚石薄膜的影响

采用不同的预处理方式浸蚀YG6硬质合金基体表面,随后在热丝化学气相沉积装置上沉积了金刚石薄膜.用扫描电子显微镜、x射线衍射仪以及洛氏硬度计对样品进行了分析检测.结果表明:一步或两步浸蚀法都能抑制沉积过程中基体表面钴的不利影响.采用两步法,即Murakami剂30 min腐蚀碳化钨相,再用H2SO4:H2O2=3:7(体积比)混合酸腐蚀30 s去除钴相,基体表面粗糙,金刚石薄膜形核密度高,结晶质量较好,金刚石涂层与硬质合金基体结合良好.     

Effect of deposition temperature on properties of boron-doped diamond films on tungsten carbide substrate

Boron-doped diamond (BDD) films were deposited on the tungsten carbide substrates at different substrate temperatures ranging from 450 to 850 °C by hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) method. The effect of deposition temperature on the properties of the boron-doped diamond films on tungsten carbide substrate was investigated. It is found that boron doping obviously enhances the growth rate of diamond films. A relatively high growth rate of 544 nm/h was obtained for the BDD film deposited on the tungsten carbide at 650 °C. The added boron-containing precursor gas apparently reduced activation energy of film growth to be 53.1 kJ/mol, thus accelerated the rate of deposition chemical reaction. Moreover, Raman and XRD analysis showed that heavy boron doping (750 and 850 °C) deteriorated the diamond crystallinity and produced a high defect density in the BDD films. Overall, 600–700 °C is found to be an optimum substrate temperature range for depositing BDD films on tungsten carbide substrate.     

Effect of pressure on nanocrystalline diamond films deposition by hot filament CVD technique from CH4/H2 gas mixture

The effect of pressure on the deposition of nanocrystalline diamond (NCD) films in a hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) system was investigated employing a 1% CH₄ in H₂ gas mixture. With decreasing the growth pressure from 5.0 to 0.125 kPa, a gradual reduction of the diamond grain sizes from sub-micrometer to nanometer scale was observed, accompanied by the decline of surface roughness and the evolution of film cross-sectional morphologies changing from columnar to grainy structures. The pressure also exerted prominent influence on the film growth rate. At 2.8 kPa the growth rate featured a maximum, while decreasing to higher and lower pressures. Such pressure dependence of the diamond growth rate was suggested to result from two competing effects of pressure on the concentration of reactive species near the diamond growth surface. Further, the mechanism for the NCD film formation under low deposition pressures was discussed in light of the high secondary nucleation rate.     

Preparation of free-standing diamond films for high frequency SAW devices

Free-standing diamond films were prepared by hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) method under different conditions. Inter-digital transducers (IDTs) were formed on the nucleation sides of free-standing diamond films by photolithography technique. Then piezoelectric ZnO films were deposited by radio-frequency(RF) reactive magnetron sputtering to obtain the ZnO/diamond film structures. Surface morphologies of the nucleation sides and the IDTs were characterized by means of scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscope (AFM) and optical microscopy. The results indicate that the surfaces of nucleation sides are very smooth and the IDTs are of high quality without discontinuity and short circuit phenomenon. Raman spectra show the sharp diamond feature peak at about 1 334 cm⁻¹ and the small amount of non-diamond carbon in the nucleation side. X-ray diffraction (XRD) patterns of the structure of ZnO/diamond films show a strong diffraction peak of ZnO (002), which indicates that as-sputtered ZnO films are highly c-axis oriented.     

梯度基体温度法和反应溅射TiC过渡层对钛合金基体沉积金刚石薄膜的影响

以H2和CH4作为反应气体,采用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在钛合金(Ti6Al4V)平板基体上制备金刚石薄膜,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、激光拉曼光谱(Raman)和洛氏硬度仪分析薄膜的表面形貌、结构、成分和附着性能,研究了高温形核-低温生长的梯度降温法对原始钛合金和反应磁控溅射TiC过渡层的钛合金表面沉积金刚石薄膜的影响。结果表明:原始基体区和TiC过渡层区沉积的金刚石薄膜平均尺寸分别为0.77μm和0.75μm,薄膜内应力分别为-5.85GPa和-4.14GPa,TiC层的引入可以有效提高金刚石的形核密度和晶粒尺寸的均匀性,并减少薄膜残余应力;高温形核-低温生长的梯度降温法可以有效提高金刚石的形核密度和质量,并提高原始基体上沉积金刚石薄膜的附着性能。     

基于HFCVD法密封环基体的温度场仿真及实验

为了在碳化硅密封环端面上生长出均匀一致的金刚石涂层,提出了采用三维有限元法模拟基体温度场的方法优化沉积工艺参数。首先,通过在实际沉积系统中的测温实验,验证了仿真结果的正确性。然后,在温度场仿真中分析了热丝直径(D)、热丝间距(S)和工作台冷却水流速(F)等参数对衬底温度场均匀性的影响,进而这些参数被分别优化为0.6mm、16~18mm和30mL/s。此外,通过有限元仿真还分析了热丝弯曲(B)对衬底温度场的影响。最后,通过采用扫描电子显微镜(SEM)和拉曼(Raman)谱仪,对以优化后的参数在碳化硅密封环基体上沉积的金刚石涂层进行了性能表征。结果表明:在密封环的端面上沉积了一层连续、厚度一致的高质量金刚石涂层,从而验证了仿真结果的正确性。     

Characterization of （100）-orientated diamond film grown by HFCVD method with a positive DC bias voltage

The （100）-orientated diamond film was deposited by hot-filament chemical vapor deposition （HFCVD） technology with a positive DC bias voltage. The morphology, X-ray diffraction （XRD）, RMAN spectrum and dark current versus applied voltage characteristics analysis show that the positive dc bias can increase the nucleation density and （100）-orientated growth, making the growth of the high quality diamond film easier and cheaper than using other methods.     

热丝化学气相沉积金刚石薄膜空间场的数值分析

根据热丝化学气相沉积(HFCVD)金刚石薄膜的几何特点和工艺参数,建立了该系统的二维温度场、速度场和密度场 的耦合模型.利用该模型对沉积大面积金刚石薄膜的空间场进行了模拟计算,研究了沉积参数对空间场的影响.结果表明,衬底处 的温度分布和质量流密度的计算值与实测值相吻合.只有气体进口速度对质量流密度的均匀性影响最大,其它沉积参数对衬底温度 的均匀性、质量流密度的均匀性影响不大.从热丝阵列的最低温度出发,优选出沉积100 mm×100 mm、高质量金刚石薄膜比 较适宜的热丝几何参数.     

铜基体预沉积铜-金刚石复合过渡层金刚石膜的制备与表征（英文）

在铜基体表面电沉积铜-金刚石复合过渡层,采用电镀铜加固突出基体表面的金刚石颗粒,最后利用热丝化学气相沉积(HFCVD)法在复合过渡层上沉积大面积的与基体结合牢固的连续金刚石膜。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱和压痕试验对所沉积的金刚石膜的表面形貌、内应力及膜/基结合性能进行研究。结果表明:金刚石膜由粗大的立方八面体颗粒与细小的(111)显露面颗粒组成,细颗粒填充在粗颗粒之间,形成连续的金刚石膜。复合过渡层中的露头金刚石经CVD同质外延生长成粗金刚石颗粒,而铜表面与粗金刚石之间的二面角上的二次形核繁衍长大成细金刚石颗粒。金刚石膜/基结合力的增强主要来源于金刚石膜与基体之间形成镶嵌咬合和较低的膜内应力。     

不同过渡层对钢基金刚石薄膜的影响

采用超高真空热丝化学气相沉积(HFCVD)系统,以甲烷和氢气为反应气体,在高速钢W18Cr4V基体上利用3种不同的过渡层(WC、Cr、WC/Cr)制备金刚石薄膜。采用场发射扫描电子显微镜(FE–SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微激光拉曼光谱仪(Raman)以及洛氏硬度计对过渡层和金刚石薄膜进行检测分析,研究了不同过渡层对金刚石薄膜形貌质量和附着性能的影响。结果表明,3种过渡层均可以有效减少钢基中Fe对金刚石薄膜的负面影响,提高金刚石的形核率;其中,采用WC/Cr过渡层时膜基间残余应力最小,仅为0.25 Gpa,附着性能最好。