MPCVD法制备金刚石膜的工艺

采用3 kW/2 450 MHz微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)系统,以单晶硅为基底材料,采用单因素试验法研究微米级金刚石膜的生长工艺,分别探究衬底温度、腔体压强和甲烷体积分数对金刚石成膜过程的影响,获得微米级金刚石膜的最优生长工艺。结果表明:金刚石膜的生长速率与衬底温度、腔体压强、甲烷体积分数呈正相关;衬底温度和腔体压强对金刚石膜质量的影响存在最佳的临界值,甲烷体积分数过高不利于形成金刚石相。金刚石膜生长的最佳工艺参数为:功率为2 200 W,衬底温度为850 ℃,腔体压强为14 kPa,甲烷的体积分数为2.5%。在此条件下,金刚石膜生长速率为1.706 μm/h,金刚石相含量为87.92%。      

二氧化碳对金刚石膜生长的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,以H₂/CH₄/CO₂为混合气源,在Si基底上沉积金刚石膜,分析了微波功率和CO₂对金刚石膜生长的影响。利用Raman光谱、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征金刚石膜,以得到样品质量、表面形貌、晶粒取向等信息。结果表明:适当提高微波功率,可以促进金刚石晶粒长大并提高（100）取向度;加入适量CO₂,能提高金刚石膜质量和生长速率,并保持表面形貌不会发生明显变化,但随着CO₂含量的增加,金刚石表面形貌发生较大变化,薄膜质量和沉积速率先提高后降低。      

活性成分对金刚石膜沉积速率和质量的影响

采用微波等离子体化学气相法合成的金刚石膜质量好,但采用常规CH4-H2气体体系,金刚石膜的沉积速率低.为此,实验研究了C2 H5OH-H2、CH4-H2-Ar和CH4-H2-N2等含有活性成分的体系下,微波功率、碳源浓度、气体压力对金刚石膜沉积速率、表面形貌、电阻率的影响.结果表明:使用含氧、氩、氮等活性成分的体系,金...     

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。     

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。     

“限流环”对MPCVD法快速制备高质量金刚石膜的研究

为了提高金刚石膜的沉积速率和沉积质量,本文通过在5 kW微波等离子体化学气相沉积装置(MPCVD)的腔体内添加“限流环”,运用较高的微波功率(4700 W)以较高的沉积速率(25.0μm/h)得到了高质量的金刚石膜.添加“限流环”后,明显改变了工作气体在腔体中的流向.在高功率微波下,工作气体能尽可能多地流经高能等离子体...     

一种提高MPCVD法制备金刚石膜均匀性的方法

采用自制的1 kW石英钟罩式微波等离子体化学气相沉积装置,以氢气和甲烷作为气源在镜面抛光的(100)面单晶硅片上沉积了金刚石薄膜。实验共制得两个样品,其中一个样品在制备的过程中加装了难熔的金属钽环,利用等离子体易吸附于金属钽环表面的特性,缩小了硅片中间与边缘等离子体密度差异,另外一个样品没有加装难熔的金属钽环。利用激光拉曼光谱仪和扫描电子显微镜(SEM)对制备的样品进行了表征,发现没有加装金属钽环的样品中间位置沉积的金刚石膜质量明显高于边缘位置沉积的金刚石膜,中间位置、离中间5 mm位置、边缘位置沉积膜层的厚度差别很大;加装了金属钽环的样品中间位置与边缘位置沉积的金刚石膜质量差不多,中间位置、离中间5 mm位置、边缘位置沉积膜层的厚度差别不大,上述结果证明金属钽环的加入是一种提高MPCVD法制备金刚石膜均匀性的方法。     

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。     

氢气流量对大面积金刚石膜沉积的影响

为了实现大面积金刚石膜的高速均匀沉积,在新型多模微波等离子体装置中,利用微波等离子体(Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)技术,对大面积金刚石膜沉积过程中气体流场、电子密度和温度、基团分布及金刚石膜质量进行研究。流场模拟结果表明,多模MPCVD装置在高气体流量下依旧保持良好的流场稳定性。等离子体光谱结果表明,随着氢气流量的上升活性基团的强度上升。氢气流量在400 cm~3/min以内时,活性基团可在基底表面对称均匀分布。电子密度和电子温度随着氢气流量的上升先上升后下降,在500 cm3/min达到最大,分别为2.3×1019/m~3和1.65 eV。在氢气流量为300 cm~3/min时可在直径为100 mm的钼基底上实现大面积金刚石膜的均匀沉积,金刚石膜中心和边缘处拉曼光谱FWHM值为4.39 cm~(-1)和4.51 cm~(-1),生长速率为5.8μm/h。     

微波CVD金刚石薄膜用作LED散热片的制备

由于金刚石具有室温下最高的热导率,因此用化学气相沉积(CVD)制备的金刚石膜是大功率发光二极管(LED)理想的散热材料.本文利用微波等离子体CVD研究了不同沉积工艺下金刚石薄膜的生长.用扫描电子显微镜(SEM)和拉曼光谱对得到的金刚石薄膜进行了表征,并将金刚石薄膜用作LED散热片的散热效果进行了检测.结果表明:在硅衬底上沉积20-30μm的CVD金刚石薄膜可以有效地降低LED的工作温度;在相同的制备成本下,提高薄膜的厚度(甲烷浓度4%)比提高薄膜的质量(甲烷浓度2%)更有利于提高LED的散热效果.本研究表明微波等离子体CVD制备的金刚石薄膜是大功率LED的理想散热衬底材料.     

Enhanced tribological performances of nanocrystalline diamond film

Diamond films are well known for their outstanding properties such as high hardness, possible low coefficient of friction, high thermal conductivity, excellent biocompatibility and electrical insulation. Diamond films with nanocrystalline grains (grain sizes between 3 and 15 nm) offer further advantages of low compressive stress, low surface roughness, and high amount of surface atoms in relation to volume leading to enhanced surface properties. In view of these, the present investigation is undertaken to explore the possibility of using nanocrystalline diamond (NCD) films in advanced automotive equipment. Accordingly NCD-films have been deposited using a modified hot-filament technique. Tribological behaviour of these films has been evaluated by means of a reciprocating model tribometer with different lubricant qualities. The worn surfaces were examined using scanning electron microscopy (SEM) and 3D white light confocal microscopy. The results show the influences of coating qualities and test conditions on the tribological response. Comparable friction coefficient can be found with high treated and low treated lubricants. These films exhibited negligible wear for the range of load tested.     

纳米金刚石薄膜的制备和应用

纳米金刚石薄膜的优异性能吸引了众多学者的关注,同时也成为CVD金刚石薄膜研究领域的新热点。文章对国内外的纳米金刚石膜制备的研究状况做了详细介绍,并对纳米金刚石薄膜的应用进行了讨论。     

石英玻璃管外表面抗腐蚀纳米金刚石薄膜的制备

在具有新型谐振腔的微波等离子体CVD装置上,利用乙醇和氢气为工作气体在石英玻璃管外表面沉积了均匀、致密的纳米金刚石薄膜。采用扫描电子显微镜、Raman光谱及X射线衍射表征了金刚石薄膜的质量;设计腐蚀实验检验了金刚石薄膜的抗腐蚀效果。结果表明:在反应气压为5.5 kPa、碳源浓度为8vol%、石英玻璃管温度为500℃的条件下,得到的纳米金刚石薄膜能有效增强石英玻璃管的抗腐蚀性能。     

反应气体对纳米金刚石薄膜的显微力学特性影响

本文采用电子辅助增强热丝化学气相沉积(HFCVD)系统,CH4/H2、CH4/H2/Ar气体和不同比例的四种气氛制备了纳米金刚石薄膜,利用Raman光谱和原子力显微镜(AFM)表征了薄膜的结构和显微形貌,采用纳米压入测试技术测量了纳米金刚石薄膜的显微力学特性,获得了加载、卸载曲线,以及硬度和模量随压入深度的变化曲线。结果表明:薄膜具有明显的纳米结构特点,随着CH4、Ar浓度的增加,晶粒更加细化,表面粗糙度更低。无Ar气氛制备的纳米金刚石薄膜的弹性恢复较好,硬度和模量较高,CH4和Ar含量越低的制备气氛,其硬度和模量相对较高。     

纳米金刚石薄膜的微结构和残余应力

采用双偏压热丝化学气相沉积法在不同栅极和衬底偏流下制备出纳米金刚石薄膜.采用Raman谱、SEM、AFM、纳米压痕法和XRD分析纳米金刚石膜的微结构、弹性模量和残余应力.分析结果表明,金刚石晶粒尺寸随着栅极和衬底偏流的增加而减小,而衬底偏流的加入会引起非金刚石成分的显著增加.金刚石晶界的畸变使得弹性模量随着栅极和衬底偏流的增加而减小,薄膜热应力也随之减小.晶界非金刚石成分引起金刚石本征应力呈压应力性质,晶界密度的增加使得本征应力随着栅极偏流的增加而增加,但衬底偏流引起薄膜抵抗变形能力剧烈下降,导致金刚石本征压应力的减小.     

金刚石膜/硅复合基片的制备工艺研究

通过等离子体喷射法硅衬底制备金刚石的试验,研究了硅片规格、硅片前期预处理、金刚石膜沉积以及后期热处理等对制备复合基片性质和裂纹产生的影响,对各个工序进行优化和改进,确定了制备金刚石膜/硅复合基片最佳的工艺流程.实验结果表明:在硅基片制备的金刚石膜厚度大于20 μm,抛光后金刚石膜表面粗糙度Ra达到5.2 nm,剩余金刚...     

高导热金刚石/铝复合材料的真空热压制备

以纯铝粉末和金刚石为基体材料,采用真空热压固相烧结方式制备出热导率为677 W/(m·K)的高导热金刚石/铝复合材料.利用激光导热仪、热膨胀仪对金刚石/铝复合材料性能进行表征,并通过对制备温度、保温时间及金刚石基本颗粒尺寸的调控来优化制备工艺.研究发现:随制备温度升高,金刚石/铝复合材料的密度及致密度均有所提高,其热导...     

A comparative study of nanocrystalline Cu film deposited using anodic vacuum arc and dc magnetron sputtering

A comparative study of structural, electrical and thermoelectric properties of nanocrystalline copper thin films deposited using anodic vacuum arc plasma deposition technique and dc-magnetron sputtering is presented. The crystallographic texture and structural evolution of these films are investigated as a function of thickness within a range of 30 to 230 nm using XRD and SEM. AVA deposited Cu films possess smaller grains with a lesser degree of crystallinity than dc-sputtered ones. Electrical resistivity, temperature coefficient of resistance and thermoelectric power of both as-deposited and annealed Cu films of AVA and dc-magnetron sputtering is measured and their dependence on the film thickness is investigated. AVA deposited Cu films having thickness less than 100 nm show much higher resistivity than dc-sputtered ones. AVA deposited Cu films possess lower temperature coefficient of resistance values than dc-sputtered ones. The observed thickness dependence of thermoelectric power is larger in AVA deposited Cu films than in dc-sputtered ones. These electrical measurements reveal that AVA deposited Cu films possess more vacancies than dc-sputtered ones.     

High-temperature oxidation behavior of nanocrystalline diamond films

In this study, high-temperature stability of nanocrystalline diamond films prepared by hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) was investigated through differential thermal analysis/thermal gravimetric analysis (DTA/TGA), thermal analyses, visible and UV Raman analysis, and XPS analysis. Nanocrystalline diamond films with crystalline size of about 25 nm were obtained, which possess high density of grain boundaries with a high sp²-bonding of non-diamond carbon. In the initial stage of oxidation, grain boundaries with non-diamond carbon and graphite phase were preferentially etched away by oxygen, which carries on with a faster rate. Then, a slower oxidation rate was continued through reacting the carbon atoms in rigid diamond structure with oxygen. The activation energies for former and the latter, calculated from the thermal analysis, are 195 and 217 kJ/mol, respectively. Both the results of in-situ Raman spectra and XPS spectra indicate that the carbon with sp²-bonding significantly decreased with increasing temperature and soaking time.