氧化铍基HFCVD金刚石薄膜及其热性能的研究

论文摘要

随着电子和光子产品朝着速度更快、体积更小、功率更高的方向发展,基片材料的选择和提高基片材料的导热性能成为重要的研究课题。多晶氧化铍陶瓷因其具有高的低温热导率和低的介电常数,是高热导陶瓷家族中用于电子器件的优选材料。本文通过热丝化学气相沉积的方法在多晶氧化铍陶瓷上沉积金刚石薄膜以提高其复合体的热性能,促使氧化铍适应电子器件微型化、高集成方向的发展。通过金相显微镜、扫描电镜、原子力显微镜的观察,X射线衍射仪的分析和激光热物性测试仪的测量,研究了氧化铍基体上沉积金刚石薄膜的过程中,控制参数对金刚石薄膜质量和性能的影响,得出结论如下:1、沉积前用水磨砂纸和氢氟酸预处理基体,能显著提高膜与基体之间的结合,促进形成致密连续的金刚石薄膜。氢氟酸处理10min最有利于金刚石在氧化铍上的形核和长大,得到质量高的金刚石薄膜。2、沉积过程中通过控制沉积参数能够得到各种结构的金刚石薄膜:随着CH4浓度的升高,或者反应气体总流量的增加,金刚石的晶粒尺寸减小,结晶性能降低。沉积压强为10torr,气体总流量为50sccm,CH4浓度为3%时,沉积得到的薄膜金刚石晶粒尺寸细小均匀,且表面粗糙度低。3、不同膜与基体的串并联方式对复合体的热导率影响很大:正面和侧面镀金刚石薄膜能显著提高复合体的热导率,底面的金刚石薄膜对复合体热导的影响不大。另外,金刚石的质量对复合体的热导率也有较大影响:取向程度强、晶粒尺寸大的金刚石薄膜可使对应的复合体热导率的提高大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 氧化铍的结构性能及应用
• 1.2.1 氧化铍的结构
• 1.2.2 氧化铍的性能
• 1.2.3 氧化铍的应用
• 1.2.4 氧化铍在应用过程中遇到的问题及解决的方法
• 1.3 金刚石的结构性能及应用
• 1.3.1 金刚石的结构
• 1.3.2 金刚石的性能及应用
• 1.3.3 金刚石薄膜的制备方法
• 1.4 膜基复合材料在高功率电器上的研究进展
• 1.4.1 金刚石薄膜与氧化铝复合材料的研究
• 1.4.2 金刚石薄膜/硅复合材料的研究
• 1.4.3 存在的问题及解决的方法
• 1.5 复合材料热导率的计算方法
• 1.5.1 热阻的欧姆定律计算热导率
• 1.5.2 复合材料热导率的串并联法则
• 1.5.3 根据热扩散系数计算热导率:
• 1.6 研究的目的和意义
• 第二章 实验原理与方法
• 2.1 薄膜的制备
• 2.1.1 实验设备
• 2.1.2 热丝化学气相沉积金刚石薄膜的原理
• 2.2 性能检测
• 2.2.1 X射线衍射
• 2.2.2 金相显微镜
• 2.2.3 场发射扫描电镜
• 2.2.4 原子力显微镜分析
• 2.2.5 热扩散系数的测量及热导率的计算方法
• 2.3 氧化铍基体上生长金刚石的可行性分析
• 2.3.1 沉积金刚石的基体
• 2.3.2 提高膜/基附着力的方法
• 2.3.3 氧化铍基体上沉积金刚石的可行性分析
• 2.4 晶格导热理论
• 2.4.1 晶格导热的原理
• 2.4.2 金刚石与氧化铍具有高热导率的原因
• 第三章 基体预处理对金刚石在氧化铍上生长的影响
• 3.1 基体研磨对剥落情况的影响
• 3.2 不同酸处理对金刚石薄膜连续性的影响
• 3.3 不同氢氟酸处理时间对金刚石薄膜表面的影响
• 3.4 基体形貌对金刚石薄膜的影响
• 3.5 基体预处理对形核的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 沉积参数对氧化铍上生长金刚石的影响
• 4.1 沉积气压对沉积金刚石薄膜的影响
• 4.1.1 沉积气压对薄膜表面形貌的影响
• 4.1.2 沉积气压对金刚石薄膜取向的影响
• 4.1.3 沉积气压影响金刚石薄膜生长的机制
• 4.2 甲烷浓度对沉积金刚石薄膜的影响
• 4.2.1 甲烷浓度对金刚石结晶性的影响
• 4.2.2 甲烷浓度对金刚石颗粒形貌的影响
• 4.2.3 甲烷浓度影响金刚石沉积的机制
• 4.3 工作气体总流量对沉积金刚石薄膜的影响
• 4.3.1 气体总流量对金刚石结晶性的影响
• 4.3.2 气体总流量对金刚石颗粒形貌的影响
• 4.3.3 气体总流量影响金刚石薄膜生长的机制
• 4.4 热丝与基体之间的距离
• 4.5 本章小结
• 第五章 金刚石膜氧化铍基复合材料热导率的研究
• 5.1 不同膜与基体串并联方式对复合体热导率的影响
• 5.2 不同基体预处理方式对复合体热导率的影响
• 5.3 不同沉积参数对复合体热导率的影响
• 5.4 金刚石薄膜的微观组织结构对复合体热导率的影响
• 5.4.1 金刚石晶粒尺寸对热导率的影响
• 5.4.2 金刚石的取向对热导率的影响
• 5.4.3 金刚石薄膜表面粗糙度对热导率的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文