热丝CVD大面积金刚石厚膜的制备研究

论文摘要

人造金刚石膜在生产中有着非常巨大的使用价值，不论在机械、热学、光学或半导体以及声学和现代军事等方面都能发挥其强劲的作用。热丝法CVD大面积金刚石厚膜是在CVD金刚石薄膜基础上发展的新型产品。因其生长效率高、作为刀具具有更佳的使用性能，具备更强的市场竞争力而受到广泛关注。本文应用热丝CVD法制备大面积金刚石厚膜，从设备的设计及改造，到工艺方法以及对金刚石厚膜的形成机理和对其质量的影响因素，进行了较系统的研究和探讨。1.在早期的金刚石薄膜小设备的基础上，扩大设备的体积，将原先的单根螺旋灯丝改造为大平面的平整灯丝栅；改进了底座，使之能在工作中旋转；将钨灯丝改为包钨钽丝，使灯丝的工作温度由原来的2300℃提高至实验所需的2600℃；并增加了脉冲等离子体，使氢分子离解为原子氢的速率大为增加；改进了气流系统，并对实验的完整工艺给出了严谨的流程。2.通过对金刚石膜生长速率和生长质量的研究与探讨，发现输入系统的气体的碳氢比在一定的灯丝温度下有一最佳值，如当灯丝温度为2200℃时，输入气体的碳氢比为4.8%；当灯丝温度为2600℃，输入气体的碳氢比为10.6%左右。3.在同一灯丝温度下，不同的衬底温度生产的金刚石膜的生长速率和生长质量明显不同。当衬底温度从850℃提高到950℃时，金刚石的生长速率和质量大大提高。但当衬底温度超过1050℃时，生长速率和质量将会急剧下降。4.在金刚石结构、碳原子间键能、基点能量和环境效应等方面理论研究的基础上，对氢原子在生长金刚石膜中的重要作用以及对金刚石生长的前期物质进行了比较深入的探讨。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 金刚石的结构及性质
• 1.1.1 金刚石的结构
• 1.1.2 金刚石的性质
• 1.2 金刚石膜的应用
• 1.2.1 金刚石膜在机械方面的应用
• 1.2.2 金刚石膜在热学方面的应用
• 1.2.3 金刚石膜在光学方面的应用
• 1.2.4 金刚石膜在声学方面的应用
• 1.2.5 金刚石膜在半导体方面的应用
• 1.3 金刚石膜生长方法
• 1.3.1 热丝法
• 1.3.2 微波 CVD 法
• 1.3.3 直流电弧等离子体法
• 1.3.4 磁控等离子体法（ECR）
• 1.4 金刚石膜的测试方法
• 1.5 人造金刚石膜的生长机理简介
• 1.6 新法生长金刚石膜研究简介
• 1.6.1 大面积生长的热丝法
• 1.6.2 金刚石膜微波等离子生长方法的新发展
• 1.6.3 电弧法生长金刚石膜
• 1.7 本论文的研究意义和研究内容
• 1.7.1 制备大面积金刚石厚膜的意义
• 1.7.2 本论文的研究内容
• 第二章 热丝法生长金刚石厚膜制备
• 2.1 生长金刚石厚膜设备的更新改造
• 2.1.1 大面积平整灯丝栅
• 2.1.2 底座的制造
• 2.1.3 灯丝的选择
• 2.1.4 脉冲等离子体
• 2.2 实验的工艺流程
• 2.2.1 气体的准备
• 2.2.2 灯丝温度的测试
• 2.2.3 灯丝的制作
• 2.2.4 衬底处理
• 2.2.5 装机及开机过程
• 2.3 样品及表征手段
• 2.3.1 实验样品
• 2.3.2 表征手段
• 2.4 金刚石的真空焊接
• 2.4.1 焊接方法
• 2.4.2 金刚石片的起层与内应力
• 2.5 小结
• 第三章 金刚石膜生长的影响因素及机理探讨
• 3.1 工艺条件对金刚石膜生长的影响
• 3.1.1 灯丝温度与 C/H2 的关系
• 3.1.2 生长速率、金刚石质量与碳氢比的关系
• 3.1.3 金刚石质量与衬底温度的关系
• 3.1.4 衬底温度与生长速率的关系
• 3.1.5 生长速率与气体含氧量的关系
• 3.1.6 渗氮对金刚石生长速率的影响
• 3.1.7 气压对金刚石生长的关系
• 3.2 CVD 金刚石生长的机理探讨
• 3.2.1 CVD 金刚石生长系统中的氢原子
• 3.2.2 H·CH4 是金刚石生长的活性物质
• 3.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A ：攻读硕士期间所发表的论文