金刚石膜表面微结构红外增透性能研究

CVD金刚石是一种性能优异的红外光学窗口材料，但其在红外波段的理论透过率仅能实现约71%。通过表面亚波长结构设计可进一步增强CVD金刚石膜的光学透过性能。该研究首先通过理论模拟，建立了金刚石微结构特征与光学增透之间的定量关系。基于此为指导，探讨了在具有微结构硅片表面，采用MPCVD方法复制生长出具有微结构的金刚石自支撑光学级薄膜，用于提升金刚石膜在红外波段的透过率。采用扫描电镜（SEM）观察了原始硅片和金刚石表面及微结构形貌，通过拉曼散射光谱评估了金刚石的生长质量及形核层影响，采用红外光谱仪测试了金刚石红外透过率。结果显示，单面构筑微结构后，金刚石膜在8~12 μm波段的透过率可从70%提升至76%，说明表面微结构能显著提升金刚石膜的光学透过性能。非金刚石形核层以及表面微结构的完整性不足可能是导致实验结果与理论模拟结果具有一定偏差的主要原因。     

金刚石薄膜断裂强度及形貌分析

金刚石薄膜以其优异的性能成为许多行业不可或缺的功能材料,但因金刚石薄膜制备质量差、不稳定,导致金刚石薄膜力学性能的研究一直处于探索阶段,没有得出系统全面的结论。本文利用金刚石力学试验机对自支撑金刚石薄膜断裂强度与薄膜沉积厚度、抛光与否之间的关系进行了研究,利用扫描电子显微镜SEM对金刚石薄膜的表面和断口形貌进行了分析。研究表明,自支撑金刚石薄膜断裂主要是解离断裂,且其断裂强度随着沉积厚度的增加而减低,自支撑金刚石薄膜是否经过抛光对其断裂强度的大小有显著影响。     

离子源预处理工艺对WC基底表面及Ta缓冲涂层的影响

研究了阳极层离子源预处理工艺对WC硬质合金基底表面粗糙度Ra和表面最大峰谷值Pv的影响,以及对后续镀制Ta缓冲涂层表面特征及膜基附着力的影响。结果表明,硬质合金基片表面粗糙度和表面最大峰谷值的增加量随基片偏压升高呈指数增加;而离子源电压对基片表面粗糙度和表面最大峰谷值影响较弱;采用离子源电压1350 V,基片偏压200 V轰击硬质合金基片15 min后镀制Ta膜,膜层表面晶粒细小均匀,表面致密性显著增加;此外,基片表面经离子源处理后,镀制的Ta缓冲层与基底的膜基结合力有较大改善,这将有利于提高后续贵金属保护涂层的附着力及抗元素扩散能力。     

ZnS衬底表面制备HfO2增透保护膜的性能

用射频磁控溅射法在CVD ZnS衬底上制备了HfO2薄膜,利用X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和纳米力学探针对HfO2薄膜的结构和性能进行了分析和测试。结果表明,制备的HfO2为单斜相,膜层致密、表面平整、粗糙度仅为3.0 nm,硬度(7.3 GPa)显著高于衬底ZnS的硬度(2.6 GPa)。采用ZnO薄膜作过渡层,可有效提高HfO2与ZnS衬底的结合强度。单面镀制HfO2薄膜后,ZnS衬底在8-12μm长波红外波段的透过率最高可达81.5%,较之ZnS基体提高了5.8%,双面镀制HfO2薄膜后透过率最高可达90.5%,较之ZnS基体提高了14.8%,与理论计算结果吻合较好,适合作为ZnS窗口的增透保护膜。     

大面积金刚石膜/Si衬底复合片均匀性研究

对直流电弧等离子体喷射化学气相沉积技术,在φ76.2 mm的Si衬底上沉积得到的金刚石膜,通过SEM和激光Raman表征其质量均匀性。为缓解金刚石膜/Si复合片的内应力,采用台阶式冷却的方式,对样品在1 050℃进行真空退火处理,使样品内的压应力从3.09 GPa减小到1.16 GPa。对样品生长面进行机械抛光,采用表面轮廓仪检测其表面粗糙度均匀性。结果表明：在76.2 mm的金刚石膜/Si复合片上获得的表面粗糙度小于5 nm。     

金刚石散热衬底在GaN基功率器件中的应用进展

氮化镓(GaN)基功率器件性能的充分发挥受到沉积GaN的衬底低热导率的限制,具有高热导率的化学气相沉积(CVD)金刚石,成为GaN功率器件热扩散衬底材料的优良选择。相关学者在高导热金刚石与GaN器件结合技术方面开展了多项技术研究,主要包括低温键合技术、GaN外延层背面直接生长金刚石的衬底转移技术、单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术。对GaN功率器件散热瓶颈的原因进行了详细评述,并对上述各项技术的优缺点进行了系统分析和评述,揭示了各类散热技术的热设计工艺开发和面临的技术挑战,并认为低温键合技术具有制备温度低、金刚石衬底导热性能可控的优势,但是大尺寸金刚石衬底的高精度加工和较差的界面结合强度对低温键合技术提出挑战。GaN外延层背面直接生长金刚石则具有良好的界面结合强度,但是涉及到高温、晶圆应力大、界面热阻高等技术难点。单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术则分别受到单晶金刚石尺寸小、成本高和工艺不兼容的限制。因此,开发低成本大尺寸金刚石衬底,提高晶圆应力控制技术和界面结合强度,降低界面热阻,提高金刚石衬底GaN器件性能方面,将是未来金刚石与GaN器件结合技术发展的重点。     

SiNx介质薄膜制备及其对GaN表面金刚石形核生长的影响

SiNx作为GaN和金刚石异质结构的中间层，不仅是下层GaN材料的保护层，也是上层金刚石的形核生长层，因此SiNx介质薄膜对于GaN表面合成高质量金刚石具有重要的意义。研究分别采用低压化学气相沉积（LPCVD）和磁控溅射（MS）方法在GaN-Si衬底上制备SiNx介质薄膜。利用扫描电镜、傅立叶红光光谱、X射线衍射、激光拉曼等技术对SiNx薄膜的表面形貌、晶体结构和表面官能团等进行分析。结果表明，采用LPCVD镀制的非晶态SiNx介质薄膜经籽晶播种、形核生长金刚石后，金刚石/SiNx/GaN界面完整致密；采用MS制备的SiNx介质薄膜呈晶态特征，对应的界面出现明显的刻蚀坑。沉积方式会影响SiNx薄膜的晶体结构和微观形貌，高致密度的非晶态结构有利于金刚石层快速形核生长，对于构建金刚石基GaN结构更为有利。     

非对称双极脉冲磁控溅射制备Ti-Co-La-N纳米薄膜性能

利用非对称双极脉冲磁控溅射制备了不用Co-La掺杂量的Ti-Co-La-N纳米复合薄膜.分别用扫描电子显微镜、X射线衍射、纳米压痕仪、划痕仪以及摩擦磨损仪研究了薄膜的表面形貌、结合力、显微硬度和摩擦学性能.结果表明:复合薄膜主要有TiN相、Co2N相和LaN相组成;复合膜的纤维硬度达到14.61 GPa,低于TiN的显微硬度;复合薄膜的显微硬度和结合力都随着Co-La掺杂量的增加而降低;在高速钢基体上复合薄膜的摩擦系数达到了0.6.     

热管理用3英寸硅衬底金刚石薄膜的制备

金刚石膜材料用作GaN电子器件散热器具有巨大潜力,低应力、大尺寸、高质量、原子级光滑表面的金刚石膜层是GaN器件的整体传热能力提升的关键。本研究提出了一种用于3英寸(1英寸=2.54 cm)硅衬底多晶金刚石薄膜的生长和晶圆级抛光技术,用以实现大尺寸金刚石膜材料在散热器方向上的应用。首先对微波谐振腔内的等离子体进行多物理场自洽建模,通过仿真模拟技术分析2.45GHz多模椭球谐振腔微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)装置沉积大尺寸金刚石薄膜的可行性,并优化生长工艺参数。然后对金刚石薄膜进行研磨抛光处理,以满足GaN器件的键合需求。模拟结果表明,输入相同的微波功率,腔室压强增大导致等离子核心电子和原子H数密度增加,但径向分布均匀性变差。在优化的工艺条件下沉积了金刚薄膜。实验结果表明,金刚石薄膜厚度不均匀性为17%。较高的甲烷浓度导致金刚石晶粒呈现以(111)晶面为主的金字塔形貌特征,并伴有孪晶的生成。Raman光谱中金刚石一阶特征峰半峰全宽(Full width at half maximum,FWHM)...