图形化CVD金刚石膜的新方法——等离子体辅助固体刻蚀法

金刚石膜是一种具有巨大应用潜力的新型功能材料,但是它极高的硬度和化学稳定性使其难以被加工成型,因此如何对金刚石膜表面进行精确的图形化加工是实现制造金刚石器件的关键技术问题之一.在本研究中,我们用微波等离子体化学气相沉积法制备的金刚石厚膜,在其表面利用氢等离子体辅助刻蚀、铁薄膜的催石墨化作用下,对金刚石膜的形核面进行了选择性的刻蚀.结果表明,该方法具有较高的刻蚀速率(850 ℃,33.8 μm/h),较高的刻蚀选择比,可以对CVD金刚石膜进行较精确的图形化刻蚀,还可通过调节铁薄膜的厚度来实现刻蚀深度的控制.对氢等离子体在整个过程中的作用进行了阐述.     

铁刻蚀CVD金刚石膜辅助机械抛光

采用直流溅射方法在化学气相沉积(CVD)金刚石膜表面镀上一层铁薄膜,在氢等离子体条件下利用铁对金刚石膜的快速刻蚀实现初抛光,然后再进行机械抛光,提高抛光效率。     

氢等离子体在铁催石墨化作用下对CVD金刚石膜的刻蚀

在铁薄膜的催石墨化作用下研究了用氢等离子体刻蚀由微波等离子体化学气相沉积（MPCYD）制备的多晶金刚石厚膜的表面。其工艺为：自支撑的金刚石厚膜浸入饱和的三氯化铁水溶液中，然后平放在大气环境中干燥，将处理过后的金刚石膜放入MPCVD装置中，先用氢等离子体将氯化铁还原成铁，然后在800℃左右的温度下，利用铁对金刚石的催石墨化作用及氢等离子体的刻蚀作用将其表面刻蚀。刻蚀完后的金刚石用酸清洗，在丙酮溶液中漂洗，然后用SEM观察刻蚀效果，用Raman光谱对表面碳的结构进行了表征。最后用机械研磨法对金刚石样品表面进行研磨，并对研磨结果进行对比。实验结果表明，这种方法能够有选择地快速刻蚀金刚石膜的表面，破坏表面晶粒的完整度，降低表面耐磨性，从而提高对粗糙金刚石膜表面研磨的效率。     

CVD金刚石自支撑膜的研究进展

金刚石膜以其最高的硬度、热导率、热震性能以及极高的强度等优点得到了越来越多的关注。自20世纪低压化学气相沉积技术成功制备出金刚石以来,在世界范围内,金刚石的制备技术及应用研究得到了快速发展。分别对国内外自支撑金刚石膜材料的制备技术及相关应用进行简要介绍,并讨论近几年我国在高质量金刚石膜材料制备技术方面取得的进展。目前主要的制备技术有热丝、直流辅助等离子体、直流电弧等离子体喷射、微波等离子体化学气相沉积(CVD)等方法。在小尺寸、高质量金刚石膜的制备技术基础上,21世纪初,国外几大技术强国先后宣布实现了大面积、高质量CVD金刚石膜的制备,并将其用于诸如红外光学窗口等高技术领域。我国也在CVD金刚石膜研发方面不断进步,先后掌握了热丝、直流电弧等离子体喷射、直流辅助等离子体CVD等合成大面积金刚石自支撑膜技术,近几年也掌握了915 MHz微波等离子体CVD技术,这些成果也标志着我国在高质量金刚石膜制备技术领域跟上了世界先进水平。     

ECR等离子体刻蚀CVD金刚石膜的研究

在自主设计的具有非对称磁镜场位形的ECR等离子体装置上进行CVD金刚石膜的刻蚀实验,研究了基片温度、工作气压和磁场位形三个工艺参数对刻蚀效果的影响.实验结果表明:通过此方法刻蚀的CVD金刚石膜,其晶粒顶端被优先刻蚀,表面粗糙度降低.实际数据显示,刻蚀温度为20℃和150℃时,后者的刻蚀效果更好;工作气压为2×10-3 Pa和3×10-2 Pa时,前者的刻蚀效果更好;磁场强度为0.2T和0.15T时,前者的刻蚀效果更强.     

CVD金刚石薄膜的微机械加工技术研究进展

金刚石薄膜是一种蕴涵巨大应用潜力的新型电子功能材料，但是它极高的硬度和化学稳定性使其难以被加工成型，因此，金刚石薄膜的微机械加工技术是其MEMS应用的关键技术问题之一，本文介绍了近年来国内外在选择性生长，模型复制，激光刻蚀和等离子体刻蚀等金刚石微机械加工技术方面的研究进展，着重探讨了可以直接对金刚石薄膜进行微细加工的反应离子刻蚀技术，提出了改善微机械加工效果的金属掩膜侧壁钝化概念，为MEMS器件的金刚石微结构集成制造开辟了更为精确有效的技术途径。     

直流辉光氧等离子体刻蚀金刚石膜的研究

在直流辉光放电等离子体装置上，利用不同直流功充和工作气压下产生的氧等离子体对CVD金刚石厚膜的表面进行了刻蚀。利用扫描电子显微镜、Raman光谱和电子微量分析天平，分别对刻蚀前后金刚石膜表面的形貌、结构和刻蚀速率进行了观测。结果发现：在工作气压一定时，刻蚀速率随着直流功率的增加而增大，并且刻蚀由各向同性转变为各向异性。但过高的直流功率会导致金刚石膜表面沉积出无定形碳。基于实验研究结果和相关基本理论建立了刻蚀模型，并根据模型得到了影响刻蚀的主要原因在于等离子体中的电子温度和金刚石膜的悬浮鞘电位。     

金刚石表面刻蚀技术研究进展

金刚石在量子信息器件、生物医药载体、生物传感器、高性能电极、化学分析传感器等诸多领域具有极大的应用价值,金刚石表面刻蚀技术是实现金刚石上述应用的关键所在。常见的刻蚀技术可根据刻蚀剂的物相分为熔盐刻蚀、气相刻蚀、固相刻蚀、气固相混合刻蚀、等离子刻蚀这五类。熔盐刻蚀是利用熔融离子化合物对金刚石表面进行刻蚀,其刻蚀机理主要是金刚石碳原子的氧化过程。气相刻蚀是利用氧气等气体与金刚石表面发生气固相反应,使金刚石中的碳原子变为一氧化碳等气态化合物进行刻蚀。气固相混合刻蚀主要是以镍、铂等金属作为催化剂,辅助氢气与金刚石发生反应生成甲烷,对金刚石进行刻蚀。固相刻蚀是金刚石合成的逆过程,主要用铁钴镍及其盐对金刚石进行催化石墨化,之后这些金属作为溶剂形成碳固溶体对金刚石进行刻蚀。等离子体刻蚀主要是用氧等离子体与金刚石发生反应,对金刚石进行刻蚀。文章着重介绍了这五种金刚石表面刻蚀技术近年来的研究进展,简要分析了这些技术的原理、特点与用途。     

利用热等离子体CVD工艺合成大面积金刚石薄膜

CVD金刚石可以用各种方法合成，其中晶粒生长速度最快的则为热等离子体CVD工艺。我们试验室过去曾试图用DC等离子体CVD工艺合成金刚石厚膜，并就膜与基底的附着强度和膜的性质作过探讨。但是，热等离子体工艺存在沉积面积和膜质量都不如其它CVD工艺等问题。CVD金刚石薄膜应用中对扩大沉积面积有着强烈的需求。本研究试图通过控制沉积压力、输入功率等沉积参数扩大等离子体直径，以沉积出大面积金刚石薄膜。我们的目的是利用热等离子体CVD工艺沉积出生长速度高、面积大且膜厚均匀的金刚石薄膜。同时探讨了合成条件对金刚石薄膜形状的影响。本研究得出的结果如下：(1)随着沉积压力的降低，金刚石晶粒尺寸减小，成核密度增加。金刚石的结晶性则几乎不受沉积压力的影响。(2)随着等离子体电流的增加，金刚石晶粒尺寸减小，成核密度增加。增加等离子体电流也可改善金刚石的结晶性。(3)降低沉积压力和增加等离子体电流均可扩大等离子体射流，但是金刚石沉积面积的变化并不明显。(4)随着沉积压力的降低和等离子体电流的增加，金刚石的结晶性均会增加。降低沉积压力和增加等离子体电流有利于改善金刚石薄膜的均匀性。     

直流电弧等离子体喷射在金刚石膜制备和产业化中的应用

综述了北京科技大学在直流电弧等离子体喷射CVD金刚石膜沉积系统研制和改进及大面积高质量(包括光学级)金刚石自支撑膜沉积的研究进展和产业化状况.用同样技术研发出了可用于复杂形状硬质合金工具金刚石膜涂层工具批量生产的强电流直流伸展电弧等离子体CVD金刚石膜涂层系统,讨论了利用该设备研发金刚石膜涂层硬质合金工具及其现场切削试验的结果.     

CVD金刚石薄膜窗口试样制备及力学性能测量

本文以氢气和丙酮为原料，采用电子增强热线CVD法，在硅片（100）基体上沉积一层金刚石薄膜，并采用光刻法和显式各向异性刻蚀技术制备出金刚石薄膜自支撑窗口试样，实验结果表明，所制备的金刚石薄膜自支撑窗口刻蚀彻底，形状规则，能够很好地满足鼓泡法的实验要求，对CVD金刚石薄膜力学性能的测量具有重要意义。     

等离子体刻蚀前处理对碳基薄膜结合力的影响

目的通过等离子刻蚀处理使基体表面更洁净,从而提高薄膜与基体的结合力。方法采用阳极层离子源,通过不同的离子源功率和处理时间对M50轴承钢样品进行处理,并在处理过的样品表面制备钨掺杂类金刚石薄膜。利用原子力显微镜对等离子刻蚀处理前后的样品表面形貌进行研究,利用Raman光谱分析薄膜的微观结构,利用划痕仪对薄膜与基体的结合力进行研究。结果不同的离子源功率和刻蚀时间,得到了不同的基体微观表面粗糙度;钨掺杂类金钢石薄膜的D峰和G峰分别在1350 cm~(-1)附近和1580 cm~(-1)附近,为典型的类金刚石结构,ID/IG值在1.5左右;未经等离子刻蚀前处理样品的膜/基结合力是23 N;而优化等离子刻蚀前处理参数样品的膜/基结合力高达69 N,最佳的离子源功率和刻蚀时间为2 k W、60 min。结论等离子刻蚀前处理能够有效提高薄膜与基体的结合力。     

氢、氧原子刻蚀CVD金刚石涂层石墨相的机理研究

采用第一性原理分子模拟计算方法对氢、氧原子刻蚀石墨相的过程进行分子动力学仿真,分析了2种原子在石墨相上的吸附过程及刻蚀反应的反应热和反应能垒。结果表明:氧原子在石墨相表面的吸附能强于氢原子吸附能,同时氧原子的化学反应活性大于氢原子的,更容易在石墨结构表面发生电子转移反应;氢原子促使石墨相表面的C—C键断裂需要两步反应,而氧原子则只需要一步反应,氢原子刻蚀石墨相的反应能垒比氧原子的高,所需能量更多。同时,通入含氧气源可以有效降低CVD金刚石涂层的沉积温度,提高金刚石涂层的质量。      

CVD金刚石薄膜及膜-基界面形态

采用直流等离子体财流CVD法在硬质合金基体上沉积了多晶金刚石薄膜,借助XRD、Raman光谱、SEM和EPMA等对金刚石薄膜及膜-基界面的结构、形貌和成分进行了研究.结果表明,结晶度高的刻面型金刚石薄膜质量、纯度较好,膜-基界面处较致密,机械锚固作用明显,结合性能较好沉积前后基体表面形貌变化很大,存在数十微米厚的脱钴-等离子体刻蚀层,等离子体刻蚀导致脱钻表面更加凹凸不平,为金刚石形核提供了有利条件.