大尺寸金刚石厚膜球冠制备机理与工艺研究

论文摘要

化学气相沉积金刚石膜具有优异的热学、电学、声学、光学、力学等综合性能,在机械、电子、光学及生物工程等领域具有广阔的应用前景。近年来,曲面金刚石膜在国防领域受到极大的重视,但是大尺寸金刚石厚膜球冠的制备研究还处于起步阶段,对其制备机理及生长过程中工艺参数的影响规律还不清楚,因此开展大尺寸金刚石厚膜球冠制备机理及工艺研究具有重要的理论意义和工业应用价值。本文主要开展的研究工作如下:1.对直流等离子体CVD大尺寸金刚石厚膜生长进行了有限元仿真研究,采用流体动力学FLUENT有限元仿真软件对厚膜球冠生长的空间温度场、压力场、速度场进行仿真数值研究;分析了不同表面形状基体对模拟结果的影响。仿真结果表明:反应室的速度场、压力场分布是不均匀的,无论是凸球面还是凹球面,在基体的中心区速度都较小,随着半径的增加而增大,但在其它相同的工艺条件下,凸面的基体能使等离子体流具有更好的流动特性,因而能较好的进行大尺寸金刚石厚膜球冠的生长。无论是凹面或凸面,基体表面的温度场分布都较均匀,沿着基体表面到等离子体发射区呈均匀的梯度分布,这是保证金刚石膜生长的重要条件。同时发现凹面基体的侧面和基体的生长面的温差比凸面大,在膜的边缘膜内有较大的应力。2.对直流等离子体喷射CVD法制备大尺寸金刚石厚膜球冠制备机理开展了深入研究,详细分析了金刚石厚膜球冠生长过程。对金刚石膜的生长动力学,成核机理和生长机理等进行了研究;超原子H及活性基团如CH3、C2H2等是非平衡态下CVD制备金刚石膜的必要条件;基体曲率半径、金刚石膜生长附着行为对金刚石膜生长有重要影响;保持稳定均匀的等离子体弧,是制备高质量的金刚石膜的关键。3.对直流等离子体喷射CVD法制备大尺寸金刚石厚膜球冠工艺开展了研究,发现生长工艺对金刚石膜的质量产生重要影响。基体温度、碳源浓度、沉积室压强、基体曲率半径及基体与等离子体的间距等生长工艺参数对制备的大尺寸金刚石厚膜球冠质量密切相关,并研究了其影响规律。通过对这些参数的合理选择及优化,是能够制备出高质量大尺寸金刚石厚膜球冠的。4.对制备的大尺寸金刚石厚膜球冠进行了微观结构特征的研究,运用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等现代先进测试技术对大尺寸金刚石厚膜球冠成核密度、表面形貌、表面粗糙度、成分、结构等进行了深入研究,从微观结构上表征了金刚石膜的本质特征。5.对大尺寸金刚石厚膜球冠的应力形成机理、应力大小、类型、分布及其对大尺寸金刚石厚膜球冠性能产生的影响进行了系统的分析,发现膜的制备工艺如基体温度,甲烷浓度等是金刚石膜应力的主要影响因素。同时也对膜的断裂机理、显微硬度等力学性能进行了研究,探讨了大尺寸金刚石厚膜球冠制备工艺参数对其性能的影响,寻求制备低应力金刚石膜,提高膜的力学性能的有效途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 大尺寸金刚石厚膜球冠的研究背景
• 1.1.1 CVD 金刚石简介
• 1.1.2 金刚石厚膜球冠的特点及其应用
• 1.2 大尺寸金刚石厚膜球冠的研究现状
• 1.2.1 大尺寸金刚石厚膜球冠的制备方法
• 1.2.2 大尺寸金刚石厚膜球冠的表征方法
• 1.2.3 大尺寸金刚石厚膜球冠制备中存在的问题
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 主要研究内容
• 第二章 曲面金刚石膜生长流场及温度场仿真研究
• 2.1 引言
• 2.2 仿真研究的理论基础
• 2.2.1 传热学基础
• 2.2.2 计算流体力学理论
• 2.3 仿真模型的建立
• 2.3.1 金刚石膜的仿真理论
• 2.3.2 金刚石膜有限元仿真模型的建立
• 2.4 仿真结果及分析
• 2.4.1 凸球冠基体仿真结果及分析
• 2.4.2 凹球冠基体仿真结果及分析
• 2.4.3 基体形状的仿真结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 大尺寸金刚石厚膜球冠制备机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 CVD 金刚石膜的生长机理
• 3.2.1 CVD 金刚石膜的生长驱动力
• 3.2.2 CVD 金刚石膜的非平衡态生长
• 3.3 大尺寸金刚石厚膜球冠的成膜研究
• 3.3.1 大尺寸金刚石厚膜球冠生长的特殊性
• 3.3.2 大尺寸金刚石厚膜球冠生长附着力的研究
• 3.3.3 基体曲率对大尺寸金刚石厚膜球冠的影响
• 3.4 CVD 金刚石膜弧行为的研究
• 3.4.1 直流等离子体弧源产生过程
• 3.4.2 等离子体弧源的理论分析
• 3.4.3 实验结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 大尺寸金刚石厚膜球冠制备的工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 金刚石厚膜球冠制备的实验方法
• 4.2.1 基体的预处理
• 4.2.2 沉积室的净化及 Mo 基体的安装
• 4.3 金刚石厚膜球冠制备工艺参数的影响
• 4.3.1 基体温度对金刚石厚膜球冠制备的影响
• 4.3.2 基体形状对金刚石厚膜球冠制备的影响
• 4.3.3 基体半径对金刚石厚膜微观结构均匀性影响
• 4.3.4 基体材质对金刚石厚膜球制备的影响
• 4.3.5 沉积室气压对金刚石厚膜球冠制备的影响
• 4.3.6 碳源气体浓度对金刚石厚膜球冠制备的影响
• 4.3.7 基体与等离子体炬阳极环的距离对制备金刚石厚膜的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 大尺寸金刚石厚膜球冠的力学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 大尺寸金刚石厚膜球冠残余应力的产生原因
• 5.2.1 大尺寸金刚石厚膜残余应力的测试方法
• 5.2.2 大尺寸金刚石厚膜残余应力的测试研究
• 5.3 制备工艺对大尺寸金刚石厚膜球冠应力的影响
• 5.3.1 基体温度对金刚石膜残余应力的影响
• 5.3.2 碳源浓度对金刚石膜残余应力的影响
• 5.4 金刚石膜断裂行为的机理研究
• 5.4.1 金刚石膜裂纹的产生
• 5.4.2 断裂强度 Weibull 分布的基本理论
• 5.5 金刚石膜的力学性能研究
• 5.5.1 甲烷浓度对金刚石膜的显微硬度的影响
• 5.5.2 金刚石膜的显微硬度的测量
• 5.5.3 金刚石膜显微硬度的实验方法
• 5.5.4 金刚石膜显微硬度的结果分析
• 5.6 大尺寸金刚石厚膜球冠应力的解决方案
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.1.1 完成的主要工作及取得的成果
• 6.1.2 本文创新点
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在博期间的研究成果及发表的学术论文