高取向金刚石薄膜的制备

目的研究不同甲烷体积分数、不同氮气流量分别对金刚石(111)面、(100)面生长的影响,实现在最佳工艺下制备高取向金刚石薄膜。方法采用微波等离子体增强化学气相沉积法制备高取向(111)面、(100)面金刚石薄膜,实验前一组(1~#—3~#)以CH_4/H_2为气源,后一组(4~#—5~#)以CH_4/H_2/N_2为气源,通过采用SEM、XRD分析不同甲烷体积分数下(111)面和不同氮气流量下(100)面的生长形貌、晶粒尺寸以及金刚石晶面特征峰强弱,同时还使用Raman测试两组分别改变甲烷体积分数、氮气流量工艺下金刚石特征峰、石墨峰的变化趋势。结果前一组随着甲烷体积分数的增加,金刚石(111)面逐渐清晰可见,低甲烷体积分数为2%时,H等离子体对金刚石表面刻蚀严重,形成少量表面粗糙的(111)面,当甲烷体积分数升到4.5%时,(111)面生长非常均匀,金刚石质量较高,继续提高甲烷体积分数,薄膜中非金刚石的含量增加,金刚石质量下降。后一组随着氮气流量的增加,金刚石(100)面的生长非常整齐平滑,在氮气流量为5 cm~3/min时,(100)面比较粗糙,由于有含氮基团的加入,其生长速率加快,进一步升高氮气流量到10 cm~3/min时,含氮基团的择优生长促进(100)面占据整个界面,同时削弱了其他晶面的生长。结论前一组甲烷体积分数为4.5%时,(111)面占据整个生长面,生长非常均匀,同时XRD测试金刚石(111)面特征峰也达到最强。后一组氮气流量为10 cm~3/min时,(100)面表面光洁度和平整度达到最佳。     

高功率微波等离子体对单晶金刚石同质外延生长的影响

目的 为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境,研究高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长层的影响。方法 利用实验室自主研发的915 MHz–MPCVD装置,在20～35 kW高功率微波馈入的条件下,具体研究了高功率等离子体环境中甲烷浓度、微波功率及基片温度对单晶金刚石外延生长层的影响。利用光学显微镜、激光拉曼光谱及光致发光光谱对所生长的单晶金刚石进行形貌质量表征,利用等离子体发射光谱对高功率微波等离子体环境进行诊断。结果 在馈入25 kW的微波功率时,将甲烷的体积分数从6%下降至3%,可以使单晶金刚石更易于出现层状生长结构;保持甲烷体积分数为3%,将微波功率从25 kW提高到35 kW,可以进一步优化单晶金刚石生长的层状结构,提高单晶金刚石的生长质量和生长速率;保持微波功率为35 kW,当甲烷体积分数为3%时,将基片温度从800℃提高到1 210℃可以明显提高单晶金刚石的生长速率,但会易于引入非金刚石相;保持甲烷体积分数为3%,将微波功率提高到35 kW,可以在等离子体中激发更多有利于金刚石快速生长的含碳活性基团;当微波功率为35 kW、甲烷体积分数为3%、基片温度为950℃时...     

沉积参数对Mo-Re合金基体上沉积金刚石薄膜的影响

采用热丝化学气相沉积法(HFCVD),以甲烷和氢气为反应气体,在综合性能良好的Mo-40%Re(摩尔分数)合金基体上沉积金刚石薄膜.采用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和显微激光拉曼光谱仪(Raman)分别对金刚石薄膜相组成、表面形貌、晶粒大小和质量等进行检测分析,研究CVD沉积参数,如基体温度(θs)、碳源浓度(R,Cn4的体积分数)和沉积压强(p),对金刚石形核、生长和金刚石成膜的影响.结果表明在合适的基体预处理条件下,当θs=750℃,R=-3%,p=3.5kPa时,薄膜平均线生长速率高达1μm/h,得到的金刚石膜完整致密,晶粒大小均匀,纯度较高,具有明显的(111)织构.     

直流电弧等离子体CVD金刚石膜工艺参数优化

为了研究工艺对CVD金刚石膜生长的影响,本文采用电镜、激光Raman谱分析等手段研究工艺参数对CVD金刚石膜生长速率和生长质量的影响.结果显示:金刚石薄膜的生长速率随甲烷浓度(3%～10%)、基片温度(800～1200℃)的增加而增加,随工作气压的升高先是增加,而后降低,峰值在15～20 kPa处.金刚石薄膜中非金刚石碳的相对含量先随基片温度的增加逐渐降低,在1080～1100 ℃达到最小值以后又开始急剧增加,膜的质量(结晶形态好和非金刚石碳的相对含量少)在1080～1100 ℃处达到最佳.     

Si3N4工程陶瓷基底金刚石涂层生长规律及性能

为了避免氮化硅材料因产生裂纹或延伸破裂等造成的失效,利用热丝化学气相沉积法（Hot filament chemical vapor deposition,HFCVD）在氮化硅基底上沉积具有高硬度的金刚石涂层,采用单因素影响试验,分别探究碳源浓度、腔室压力、基底温度对金刚石成膜过程的影响机制,探究微米和纳米金刚石涂层的最优生长工艺参数。利用拉曼光谱仪（Raman）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对不同参数制备出的金刚石的形核、表面形貌、薄膜质量、表面粗糙度等进行表征,利用洛氏硬度计分析膜基结合力。结果表明,腔室压力越大,活性物质到达基底的动能越小,不利于金刚石的成核和生长。生长速率和表面粗糙度主要受甲烷浓度的影响：甲烷浓度从1%到7%,生长速率从0.84μm/h上升到1.32μm/h;表面粗糙度Ra从53.4 nm降低到23.5 nm;甲烷浓度过高导致涂层脱落严重,膜基结合力变差;晶面形貌和金刚石含量受到基底温度的影响较为明显,随着温度升高,金刚石质量提高。综合基底温度、腔室压力对金刚石涂层的影响,确定最佳生长温度为900℃,气压为1 k Pa。...     

引入CO2提高金刚石薄膜的沉积速率

微波等离子体法合成的金刚石薄膜质量好,但常规小型微波等离子体沉积金刚石薄膜速率低,为此,本实验在H2-CH4系统中引入CO2来提高金刚石薄膜的沉积速率.研究了不同碳源体积分数、功率、压力对沉积速率、金刚石形貌、电阻率的影响.其规律是随着碳源体积分数的增加,金刚石膜的沉积速率增加;随着压力的增加,生长速率呈现一个先增后减的趋势;随着功率的增加,也存在一个先增后降的趋势.研究结果表明碳源体积分数对沉积速率影响最大.综合各种因素,得到在H2+CH4+CO2的条件下沉积金刚石薄膜的最佳工艺条件为:碳源体积分数为0.63%;C/O=1.086;功率为490 W;压力为5.33 kPa.引入CO2使沉积速率得到提高,为常规方法沉积速率的3倍左右,表明引入CO2.是一种提高沉积速率的有效方法.     

氧气和形核密度对金刚石薄膜生长的可控性研究

在2 kW微波等离子体化学气相沉积装置中,以CH4,H2和O2为反应气体制备金刚石膜,主要研究氧气和形核密度对金刚石膜表面形貌和生长速率的影响。在实验过程中,O2的掺入对相同形核密度表面形貌、质量有影响,其中氢气与甲烷在形核时的体积浓度比为200∶6,生长时的体积浓度比为200∶4,通入0.2 mL/min的O2有助于增大表面金刚石颗粒,并提高金刚石膜的质量,在拉曼表征中只有一个金刚石特征峰。采用不同形核密度时,氧气的通入促进金刚石膜的沉积,并能抑制非晶C的沉积,因为沉积过程中的非晶C质量分数急剧下降,从而提高金刚石膜的生长速率,由1μm/h提高到了1.5μm/h。     

DC Arc Plasma Jet CVD自支撑金刚石膜表面形貌的研究

本文采用30kW级直流电弧等离子体喷射法沉积自支撑金刚石膜,研究了大进气量条件下不同的甲烷浓度对金刚石膜的表面形貌及晶面取向的影响,当甲烷浓度达到一定程度时,出现纳米二次晶的形核,晶粒细化,微米金刚石转变成为纳米金刚石.同时不同的氩氢配比对金刚石膜的表面形貌也产生一定的影响.在高甲烷浓度的情况下,可以得到一种具有(111)取向的微米级金刚石膜.结果表明,随着甲烷浓度和氩氢比(Ar/H2)的增加,金刚石膜表面晶粒尺寸是呈逐渐减小趋势的,此外,通过控制甲烷浓度可以得到(111)晶面的高取向金刚石膜,当甲烷浓度为20%时,金刚石膜表面晶粒的(111)晶面可以达到高取向.     

多晶氧化铍陶瓷上金刚石薄膜的生长

采用热丝化学气相沉积(HFCVD)系统,以CH4和H2为反应气体,在多晶氧化铍陶瓷基体上沉积了金刚石薄膜.采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)和激光热物性测试仪进行检测分析,研究工艺参数对金刚石薄膜生长及膜/基复合体热学性能的影响.结果表明:随着CH4浓度的增加(或CH4浓度一定,反应气体总流量增加),金刚石晶粒尺寸逐渐减小,膜/基复合体的热导率逐渐降低;当CH4浓度为2%(体积分数),流量为30 cm3/min,压强为1.33 kPa时,沉积的膜/基复合体的热导率最高,可达2.663 W/(cm·K).     

低浓度氮气对MPCVD法制备金刚石膜的影响

利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,在CH4/H2的混合反应气源中加入N2进行了金刚石膜的沉积实验,详细研究了N2浓度对金刚石膜生长的影响规律。使用扫描电子显微镜、激光拉曼光谱仪和X射线衍射仪等设备,表征了金刚石薄膜的表面形貌、相组成及晶面取向。实验结果表明:随着N2体积分数的增加(由0%增加到6%),薄膜中的非金刚石相含量逐渐增大,金刚石晶粒尺寸逐渐减小,晶面取向也由较大的晶面(111)转变成较小的晶面(100);当N2体积分数为4%时,沉积的金刚石膜表面为"菜花"状结构;低体积分数(2%)的N2有利于获得高度取向(100)的金刚石膜。     

高等离子体功率密度下MPCVD法制备多晶金刚石膜

通过自制的MPCVD双基片台设备,在微波功率为1 400 W保持不变及中高气压,等离子体功率密度为357.5～807.4 W/cm³,基片温度为850±30℃,CH₄体积分数为1.0%～1.5%,沉积速率为1～8μm/h条件下,在直径11.5 mm的硅基片上沉积不同质量的多晶金刚石膜,并通过光谱仪、光学显微镜、拉曼光谱仪对等离子体中的氢原子及含碳基团、多晶薄膜的形貌及质量进行表征。结果表明：随着等离子体功率密度上升,等离子体椭球中的氢原子基团和含C的活性基团强度增加,金刚石膜生长速率大幅度提高,金刚石膜纯度也大幅度提升。在气压为21 kPa,等离子体功率密度为807.4 W/cm³,基片温度为850±30℃,生长时间为150 h,CH₄体积分数为1.0%及氢气流量为200 mL/min的条件下,金刚石膜的生长速率达到5μm/h,金刚石膜厚达752.0μm,金刚石拉曼峰的半高宽为6.48 cm^-1,且生长的金刚石膜质量良好。     

碳源浓度对CVD金刚石涂层质量的影响

在自制不锈钢钟罩式HFCVD设备上,以CH3COCH3和H2为气源,采用热丝CVD法在经过碱酸两步法预处理后的YG6硬质合金基体上制备了微米金刚石涂层;利用扫描电镜、Raman光谱仪、洛氏硬度计、维氏硬度计检测涂层的形貌结构、成分、附着性能和硬度,着重考察了碳源浓度对涂层质量的影响。结果表明过低碳源浓度造成涂层晶粒间存在缝隙,而过高的碳源浓度会使涂层晶粒细化,同时非金刚石相成分增加。以两步法工艺预处理基体,当碳源浓度为2%、沉积功率为4 kW、反应气压3 kPa、衬底温度为800℃、热丝基体距离为5 mm时,经4 h生长,可获得厚度为5.36μm、平均硬度HV为8 143.09、平均粒径1~2μm、纯度高、附着性能良好的微米金刚石涂层。     

灯丝／基体距离对金刚石涂层质量的影响

热丝CVD法金刚石膜生长中基体温度对金刚石薄膜的质量有很大的影响,而基体与灯丝的距离决定着基体沉积温度的高低。本实验采用单一变量法,在其它工艺参数不变的情况下,研究不同基体与灯丝距离对CVD金刚石涂层的质量的影响。采用扫描电镜、Raman光谱、洛氏硬度计对试样的表面形貌、成分和涂层与基体的结合力进行泓定。结果表明,当采用两步法基体预处理,在碳源体积浓度为2％、沉积气压为3kPa、反应功率为4kW时,得到最优金刚石涂层质量的热丝与基体的距离为5mm。     

沉积气压对金刚石膜微米纳米结构转变的影响

利用热丝化学气相沉积(HFCVD)装置研究不同气压下氩气体积分数对金刚石膜晶粒尺寸的影响,并对不同气压下其微米纳米尺寸转变的临界值进行分析,同时用SEM以及拉曼光谱对沉积的金刚石膜进行分析.结果表明:随着氩气体积分数的增大,金刚石膜的晶粒会越来越小,但不同气压下金刚石膜从微米转变成纳米级别所需要的氩气体积分数不一样;在...     

MPCVD快速制备(100)面金刚石薄膜

利用实验室自主研发的10 kW微波等离子体装置,在直径为75 mm的(100)硅片上快速沉积高质量(100)面金刚石薄膜。实验中,甲烷浓度由1%提高至5%,金刚石薄膜的沉积速率由1μm/h增至8.2μm/h。随着金刚石薄膜生长速率的增加,薄膜质量下降,晶型杂乱,非金刚石相含量增加。在气源中加入氧气以提高高速生长下金刚石薄膜的质量。不同氧气浓度对金刚石薄膜的半高宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)有较大影响:氧气浓度为0.1%～0.5%时,金刚石薄膜的FWHM随着氧气浓度的增加而减小;0.6%～1.2%时,薄膜FWHM值随着氧气浓度的增加而增大;浓度大于1.2%时,FWHM值保持不变。在H2流量为300 cm3/min,CH4浓度为5%,O2浓度为0.5%的条件下,制备出了(100)面完整,晶型完整,有台阶生长状的金刚石薄膜。     

CVD单晶金刚石的制备及红外性能研究

利用微波等离子化学气相沉积法,以H₂/CH₄/N₂为混合气源,在CVD金刚石单晶基底上同质外延生长金刚石。在一定的甲烷浓度下,分析衬底温度对金刚石结晶质量及光学性能的影响。利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)表征金刚石单晶,得到金刚石单晶的样品颜色、内部缺陷、表面形貌等信息。对金刚石样品进行抛光处理后,使用红外傅里叶变换光谱仪对金刚石进行检测,得到红外波段的光学透过率。结果表明:在生长温度为930 ℃左右时金刚石的结晶质量最好,红外透过率最高,可达70%以上;略高或略低的温度均会降低其红外透过率,相对来说略高的温度下生长的金刚石结晶质量和红外性能优于低温下生长的金刚石的。N₂的掺杂会导致单晶带有棕褐色,生长速率显著变快,严重降低红外波段的光学性能。      

甲烷浓度对等离子喷射金刚石厚膜生长稳定性的影响

采用高功率直流电弧等离子体CVD工艺制备了不同厚度的无裂纹自支撑金刚石厚膜．实验中观察到在金刚石厚膜生长过程中出现了形貌不稳定性,其程度随甲烷浓度的不同而变化．从理论和实验两个方面对这种不稳定性进行了讨论,认为直流电弧等离子体的高温造成碳源高饱和度是生长不稳定性的根本原因．实验结果表明,在沉积金刚石厚膜时,为了稳定地获得高质量的厚膜,甲烷浓度不宜过高．     

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。     

电磁场辅助HFCVD制备高场发射性能薄膜

目的提高碳素薄膜的场发射性能。方法在热丝化学气相沉积(HFCVD)技术的基础上,针对不同的甲烷浓度(体积分数,全文同)1%和5%,通过施加外场(电场、磁场以及电磁耦合场)分别调控出不同组织结构的薄膜。采用SEM观察薄膜的表面形貌,用Raman检测薄膜的成分,用场发射测试装置来表征薄膜的场发射性能。结果外场作为革新传统工艺的手段,可以影响HFCVD沉积过程。磁场的主要作用是降低晶粒尺寸,电场能够有效促进sp~3相向sp~2相转变,电磁耦合场在此基础上,还可以有效调控出高长径比的表面形貌。甲烷浓度为1%时,制备了金刚石薄膜,开启电场为11.2 V/μm,加入电场或电磁耦合场后,薄膜表面被刻蚀,发生金刚石向石墨的转变,开启电场降低到6.75 V/μm,场发射性能提高。甲烷浓度为5%时,加入磁场、电场制备的薄膜,开启电场由12.75 V/μm依次下降为11.5、9 V/μm,电磁耦合场的刻蚀作用可以获得尖锥状的形貌,且石墨相含量高,开启电场最低(5.65 V/μm),场发射性能最好。结论采用外场(电场、磁场以及电磁耦合场)辅助HFCVD的方式可以制备出多种薄膜,电磁耦合场在较高甲烷浓度时,不但可以提高石墨相含量,还可以获得高长径比的表面形貌,可有效提高薄膜的场发射性能。     

加氮对直流电弧等离子体喷射金刚石膜显微组织和断裂强度的影响

利用DcArcP1asmaJetcVD法制备搀杂氮的金刚石厚膜。研究了在反应气体cH。／Ar／H：中加入N!对金刚石膜显微组织和力学性能的影响。在固定H2、Ar、CH4流量的情况下改变N2的流量，即反应气体中氮原子和碳原子的变化比例(N／C比，范围从0．06～0．68)，同时在固定的腔体压力(4kPa)和衬底温度(800℃)下进行金刚石膜生长。用扫描电镜(SEM)观察金刚石膜形貌、用X射线衍射表征晶体取向，用三点弯曲的方法来测量金刚石膜的断裂强度。结果表明，氮气在反应气体中的大量加入，对直流等离子体喷射制备金刚石膜的显微组织和力学性能有显著的影响。