等离子体增强化学气相沉积法制备类 金刚石薄膜研究综述

类金刚石薄膜由于其独特的物理化学特性,使得该薄膜在光学、电学、机械、医学、航空航天等领域得到了广泛应用。等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)制备类金刚石是近几十年兴起的新的制备类金刚石薄膜的方法,因其对沉积温度要求低,对基底友好,同时还具有沉积速率快和无转移生长的优势,获得了越来越多的研究者关注。详细介绍了类金刚石薄膜优异的特性,阐述了在等离子化学气相沉积条件下,不同沉积条件对沉积类金刚石薄膜结构特性的影响。衬底的选择直接影响着沉积类金刚石薄膜的性能,不同的衬底直接决定着生成类金刚石结构中sp³相的数量和质量;沉积参数是最为常见的控制条件,对沉积薄膜的总体效果影响也是最大的,改变沉积参数,沉积薄膜的表面将会变得更加光滑致密;常用的掺杂元素是硅和氮,掺杂元素的引入往往是为了降低沉积薄膜的内应力,提高与衬底间的结合力,延长使用寿命等;由于很难直接在金属上沉积类金刚石薄膜,所以常通过制备复合层来改善沉积效果。最后对类金刚石薄膜的发展以及今后研究方向进行了展望。     

声表面波器件金刚石薄膜基片的制备工艺

为制备高质量的声表面波器件,探索金刚石薄膜的沉积工艺,采用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积技术和特殊的复合衬底技术,在单晶硅衬底上制备了大面积、高质量的金刚石薄膜,成功解决了单晶硅衬底在沉积金刚石薄膜过程中产生的变形问题.研究了甲烷浓度和沉积温度对金刚石薄膜质量的影响,优化了沉积工艺.结果表明,甲烷气体体积分数为1.8%时,晶粒最为细小,同时金刚石薄膜的表面粗糙度最小,表面最为光滑.衬底温度为1000℃时生长的金刚石薄膜的晶粒尺寸较小.     

磁透镜技术及其在沉积金刚石/类金刚石薄膜中的应用

阐明了磁透镜原理，依照磁透镜理论和几何光学理论，给出一种确定磁透镜位置的方法。并将磁透镜技术应用到直流等离子射流化学沉积金刚石薄膜／类金刚石薄膜装置中，很好地消除了边界效应，实现高速大面积沉积高纯度金刚石薄膜／类金刚石薄膜的目标。     

化学气相沉积金刚石薄膜的表面过程

采用简单表面反应模式，对化学气相沉积金刚石薄膜的表面动力学过程进行了研究，得到了金刚石薄膜的沉积速率公式，揭示了影响薄膜生长的因素并由此讨论了金刚石薄膜生长的机制和规律。     

热丝化学气相法合成金刚石的温度场仿真及试验

为了对热丝化学气相法沉积金刚石薄膜的工艺进行优化,提出了以有限元法模拟金刚石薄膜沉积系统三维温度场的新方法.在有限元仿真中,分析了温度场中热丝温度、直径、热丝排布、热丝与衬底距离等参数对衬底温度及均匀性的影响.在此基础上,通过热丝化学气相法沉积金刚石薄膜和生长单晶金刚石颗粒的试验验证了仿真结果的正确性.实验和仿真结果一致表明,热丝排布以及热丝与衬底间距离是影响金刚石薄膜沉积温度场的主要因素.     

快速沉积的金刚石薄膜生长特性

本文研究了用直流电弧等离子体喷射法快速沉积的金刚石薄膜的生长特性,并与用热解CVD法沉积的金刚石薄膜生长特性做了比较。     

压强和温度对薄膜折射率的影响模型

基于膜分子和气相分子在沉积时竞争的观点,得到压强和温度对薄膜折射率影响的理论模型.模型的研究表明,薄膜折射率随真空压强的增加而降低;并随沉积温度的增加而增加.在不同真空压强和不同沉积温度下制备了氧化锆薄膜,计算了样品的折射率,结果显示的规律和理论模型的规律基本一致.     

金刚石薄膜沉积时等离子体发射光谱

本文从微波等离子体发射光谱中,研究不同条件下用微波等离子体辅助化学气相沉积(MPCVD)法沉积金刚石薄膜。讨论了微波功率和沉积压力变化时,分析等离子体中电子的平均能量,研究MPCVD 法沉积金刚石薄膜。     

脉冲激光沉积类金刚石薄膜的厚度均匀性建模

在脉冲激光沉积类金刚石薄膜过程中,针对薄膜均匀性差的问题,提出偏轴沉积、脉冲激光扫描沉积、双光束沉积和多光束沉积等模式来改善薄膜的均匀性。初步建立了脉冲激光沉积类金刚石薄膜厚度均匀性模型,并分别进行了薄膜厚度分布的模拟,在模拟过程中,强调了在不影响薄膜性能的基础上改善薄膜均匀性,并讨论了沉积模式对薄膜颗粒物问题的影响。结果表明,采用多光束沉积薄膜,厚度均匀性得到极大改善,而且颗粒物问题也得到了改善。最后提出模型改良意见。     

碳源浓度对掺硼金刚石/多孔钛复合材料制备的影响

利用热丝化学气相沉积技术,在多孔钛膜上生长重掺硼金刚石薄膜,研究了碳源浓度对复合膜表面形貌及薄膜质量的影响.结果表明钛膜表面沉积的掺硼金刚石薄膜因碳源浓度的不同而不同,掺硼金刚石薄膜的质量随碳源浓度的减小而提高.金刚石/钛复合膜因碳源浓度的不同会产生复杂的变化,在重掺杂高碳源浓度下金刚石生长抑制碳化钛的形成.     

沉积温度对类金刚石薄膜性能的影响

液相法制备工艺简单、成本低等,已成为制备类金刚石薄膜的热点方法,但适合工业化生产的制备工艺参数尚不明确。以Si单晶为基底,通过液相沉积法在Si表面制备类金刚石薄膜,研究了沉积温度与其摩擦学性能之间的关系。结果表明:在40℃条件下制备的类金刚石薄膜表面光滑平整、硬度最高。此时类金刚石薄膜的干摩擦系数最小,耐磨性最强,具有良好的摩擦学性能。     

MPCVD金刚石薄膜形貌与晶向

以甲烷、氢气做为气源,利用微波等离子气相沉积的方法在硅片上沉积金刚石薄膜。研究了不同浓度的甲烷对金刚石薄膜形貌和晶向的影响。结果表明:当甲烷浓度为2.44%时,金刚石薄膜晶粒尺寸小,晶形较差,晶面取向以(111)、(220)面为主;甲烷浓度为0.50%时,金刚石薄膜晶粒尺寸较大,晶粒棱角分明,晶面取向以(111)面为主。     

采用磁过滤MEVVA源制备DLC膜的研究

采用磁过滤MEVVA沉积技术以石墨为阴极在几种衬底表面(单晶硅、不锈钢和工具钢等)上制备高质量类金刚石(DLC)薄膜.实验结果表明,沉积能量对薄膜的sp3键含量的影响为先随能量的增加而增加,达到最大值后,再增加沉积能量含量反而下降.硬度测试结果表明,非晶金刚石薄膜具有极高的硬度,为70～78GPa,远远高于衬底材料的硬度值.对非晶金刚石薄膜的摩擦性能试验结果表明,非晶金刚石薄膜的摩擦因数为0.16～0.2,大大低于衬底材料.     

多层金刚石薄膜制备工艺和应力分析研究

采用热丝化学气相沉积方法,优化金刚石薄膜制备工艺。通过改变甲烷浓度成功制备出厚度均匀的多层金刚石薄膜,实现了多种调制周期的金刚石薄膜制备,调制周期最小至100 nm。通过拉曼光谱和X射线衍射方法对单层以及多层金刚石薄膜进行应力分析,发现单层结构中,微米金刚石薄膜应力最大,随着金刚石晶粒尺寸的减小,薄膜应力减小;多层金刚石薄膜结构中,微米层与纳米层均匀交替生长,有效地降低了薄膜应力,有利于提高金刚石薄膜在应用中的稳定性。     

直流电弧等离子体喷射法制备金刚石薄膜

金刚石是一种性能非常优异的功能材料。近年来在低压下由气相沉积合成金刚石薄膜的研究引起了很多国家和科学技术工作者的兴趣。 我们设计的低压直流电弧等离子体喷射装置制备出的金刚石薄膜有较高的沉积速度,结构良好。     

MPCVD法金刚石薄膜的生长影响因素

金刚石具有许多优异的性能，但天然金刚石的价格也比较昂贵。金刚石薄膜的各种性质与天然金刚石几乎相同，具有非常广阔的工业前景。本文采用乙醇和氢气作为工作气源，利用微波等离子体化学气相沉积法，在较低的温度下制备了金刚石薄膜，并研究了反应气压对金刚石薄膜生长的影响。     

PECVD沉积氮化硅薄膜的透过率研究

研究了用PECVD薄膜沉积设备制作氮化硅薄膜的透过率。通过改变沉积工艺参数,研究了沉积温度、射频功率、SiH4流量和腔体压强对薄膜透过率曲线的影响,并分析影响原因。     

影响p型α-Si∶H薄膜性能的因素研究

利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术,以硅烷、硼烷、氢气为气源,在玻璃衬底上沉积氢化非晶硅薄膜.分析了气体的压强和射频功率两个参数对薄膜的沉积速率、折射率和晶化程度的影响.载流子的浓度随着射频功率的增加呈现先增加后下降的趋势;随着压强的增加,载流子的浓度出现先下降后增加的趋势;压强和射频功率对载流子迁移率的影响与对浓度的影响趋势相反.多次沉积薄膜后真空室的环境也对非晶硅薄膜的性质,如折射率、薄膜厚度、载流子浓度等造成影响.     

基底对类金刚石薄膜摩擦学性能的影响

为了研究不同基底对类金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响,采用等离子体增强化学气相沉积方法在高速钢、SiC和304不锈钢基底上成功制备了类金刚石薄膜。采用SEM,TEM,Raman测试手段对膜层的微结构进行了表征:SEM表征结果显示膜层总厚度约为6.5μm,而且层与层之间有明显的界面;TEM表征结果显示沉积的膜层为无定型结构;Raman光谱分析显示沉积的薄膜存在明显的G峰和D峰,可以确定沉积的薄膜为类金刚石薄膜。摩擦测试结果显示,基底对类金刚石薄膜摩擦磨损性能具有显著影响,对于不同基底,钢球对偶上均存在明显的转移膜,高速钢基底的磨痕宽度最小,而且沉积在高速钢基底上的类金刚石薄膜具有最低的磨损率,摩擦系数约为0.1。采用Raman光谱对不同基底磨痕表面微结构进行了分析,认为高速钢基底具有最低磨损率可归因于其磨痕的石墨化程度低。研究可为制备具有优异摩擦磨损性能的类金钢石薄膜提供参考。     

高质量CVD金刚石薄膜涂层拉拔模的制备与应用研究

介绍化学气相法(Chemical Vapor Deposition,CVD)制备CVD金刚石薄膜涂层拉丝模方法,并在线材的拉拔生产过程中对其性能进行了应用研究.首先,采用热丝化学气相沉积法(Hot Filament Chernical Vapor Deposition,HFCVD)在硬质合金拉丝模的内表面(内孔直径为(φ)3.8mm)沉积了高质量的CVD金刚石薄膜.并采用扫描电镜、拉曼光谱对沉积在模具内孔表面的CVD金刚石薄膜的表面形貌、薄膜质量进行了检测和评估.在实际拉拔生产线上对制备的CVD金刚石薄膜涂层拉拔模具进行了应用试验.结果表明,金刚石薄膜涂层拉丝模的工作寿命比传统硬质合金模具提高了8～10倍,并且拉制的线材具有更好的表面质量.