反应烧结碳化硅基底致密层制备及性能研究

论文摘要

应烧结碳化硅是一种综合性能优良的反射镜材料,它由两种硬度不同的材料组成,普通的机械加工方式不能或很难使其表面光洁度达到很高的水平。本研究采用在其表面沉积致密层的方法来提高表面光洁度。为降低实验成本,提高研究针对性,在进行致密层沉积之前,首先使用计算机模拟的方法对致密层沉积参数对其性能的影响进行了分析（包括使用蒙特卡罗法模拟致密层的沉积过程、分子动力学方法计算致密层与衬底之间的相互作用能、有限元分析方法分析致密层-衬底系统的应力状态）,然后根据模拟分析结果进行了致密层的沉积,并对其性能进行了研究。根据沉积过程模拟结果可知,在高温下沉积所得致密层与衬底之间的结合状况及其致密度得以改善。另外,分子动力学的计算结果显示:随着沉积温度的升高,致密层与衬底之间的相互作用能也随之升高。然而,有限元分析结果显示,致密层-衬底系统中热应力随沉积温度升高而升高,且与温度差成正比-这将对系统的稳定性产生不利影响。同时,在对不同温度下制备的致密层进行致密层-衬底的断面进行观察时发现,沉积温度对磁控溅射法制备的硅致密层与衬底之间的结合情况影响并不明显。据此,本研究最终选择硅致密层的沉积温度为200℃,尽可能降低了致密层-衬底系统中的应力水平。另外,从沉积过程模拟结果来看,随着衬底表面粗糙度的升高,衬底与致密层之间的结合情况、致密层的致密度变差。因此在沉积致密层之前,需要将衬底表面粗糙度降低到所能达到的最低程度。不同表面粗糙度的衬底上制备的致密层的研究显示:在粗糙衬底表面上制备的致密层具有较高的应力水平,部分致密层在自然放置的条件下便出现自然脱落的现象。根据理论分析结果,在本文中选用在低粗糙度的衬底上制备硅致密层。本文还研究了致密层厚度对致密层-衬底系统中应力属性的影响。根据有限元的分析结果可知,随着致密层厚度的增加,致密层中应力水平随之降低,但降低的速率随着厚度的增加而减小。分析结果与文献结果相符。实验结果也表明,在各种测试中,厚度为12μm的致密层都表现出较高的综合性能。致密层的结构对其加工后得到的表面粗糙度有一定影响。非晶硅含量越高,所得致密层抛光后表面粗糙度越低。通过分子动力学研究发现,在200℃时沉积的硅致密层具有最高的非晶硅含量,而其他试验温度下制备的硅致密层中非晶硅的含量均低于此值。对致密层表面进行抛光后发现,200℃下制备的硅致密层的表面粗糙度值最低。本文还对由电子束物理气相沉积法、离子束增强化学气相沉积法制备的硅致密层和化学气相沉积法制备的碳化硅致密层的性能进行了测试,并与由磁控溅射法制备的硅致密层的性能进行比较。结果发现,在本文所使用的四种方法中,磁控溅射法是制备反应烧结碳化硅致密层最适宜的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 致密层的制备方法
• 1.2.1 物理方法
• 1.2.2 化学方法
• 1.3 薄膜的成形过程
• 1.3.1 原子吸附
• 1.3.2 薄膜成核
• 1.3.3 薄膜生长
• 1.4 薄膜沉积模拟研究进展
• 1.4.1 蒙特-卡罗法
• 1.4.2 有限元法
• 1.4.3 分子动力学
• 1.4.4 第一原理法
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 材料制备及实验方法
• 2.1 衬底的制备
• 2.2 致密层的制备
• 2.2.1 磁控溅射法制备硅致密层
• 2.2.2 电子束物理气相沉积法制备硅致密层
• 2.2.3 化学气相沉积法制备碳化硅致密层
• 2.2.4 离子束增强化学气相沉积法制备硅致密层
• 2.3 致密层性能表征
• 2.3.1 膜-基结合强度测试
• 2.3.2 致密层孔隙率测定
• 2.3.3 致密层厚度均匀性表征
• 2.3.4 致密层物相表征
• 2.3.5 致密层-衬底系统应力分析
• 2.3.6 致密层-衬底系统抗热震性分析
• 2.3.7 致密层-衬底断面SEM分析
• 2.3.8 致密层表面形貌的AFM分析
• 2.3.9 致密层表面形貌研究
• 2.3.10 致密层纳米硬度及弹性模量的测试
• 2.3.11 致密层厚度检测
• 第3章 磁控溅射法制备的硅致密层沉积制备参数优化
• 3.1 沉积过程模拟
• 3.1.1 建模
• 3.1.2 模拟过程
• 3.2 致密层沉积模拟结果
• 3.2.1 衬底表面粗糙度的影响
• 3.2.2 入射方向对致密层性能的影响
• 3.2.3 沉积速率的影响
• 3.2.4 沉积温度对致密层的影响
• 3.3 致密层-衬底系统力学性能的有限元分析
• 3.3.1 致密层中应力分析
• 3.3.2 建模
• 3.3.3 有限元分析结果
• 3.4 系统抗热震性分析
• 3.4.1 建模
• 3.4.2 结果与讨论
• 3.5 致密层-衬底系统性能的分子动力学分析
• 3.5.1 模拟条件
• 3.5.2 结果与讨论
• 3.6 本章小结
• 第4章 磁控溅射法制备的硅致密层组织性能研究
• 4.1 硅致密层的制备
• 4.1.1 试样前处理
• 4.1.2 硅致密层沉积
• 4.2 硅致密层组织分析
• 4.2.1 致密层晶体结构分析
• 4.2.2 致密层与衬底结合强度
• 4.2.3 致密层厚度
• 4.2.4 致密层孔隙率分析
• 4.2.5 硅致密层断面SEM分析
• 4.2.6 致密层表面粗糙度
• 4.3 硅致密层性能研究
• 4.3.1 硅薄膜纳米硬度及弹性模量
• 4.3.2 致密层抗热震性分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 致密层的其他制备工艺及性能研究
• 5.1 PE-CVD硅致密层性能研究
• 5.1.1 致密层-衬底结合力
• 5.1.2 致密层表面形貌
• 5.1.3 致密层残余应力
• 5.1.4 致密层结构特征
• 5.2 EB-PVD硅致密层性能分析
• 5.2.1 致密层表面形貌
• 5.2.2 致密层结构
• 5.3 CVD碳化硅致密层性能分析
• 5.3.1 结合强度
• 5.3.2 残余应力
• 5.3.3 致密层表面形貌及粗糙度
• 5.3.4 化学气相沉积碳化硅致密层物相分析
• 5.4 不同制备方法致密层性能之间的比较
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 有限元计算命令流
• 附录B 不同温度下系统能量
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 专利申请
• 致谢
• 个人简历