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《吉林大学》 2004年
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高气压直流辉光放电及其等离子体化学气相沉积金刚石厚膜的生长特性与应用研究

姜志刚  
【摘要】:高气压、大电流直流辉光等离子体化学气相沉积方法能够快速 沉积高品质金刚石膜。然而,高气压下直流辉光放电和以往的低气 压直流辉光放电相比,具有很大的区别。本论文研究了高气压下的 直流辉光放电特性,建立了稳定的高气压直流辉光放电的工艺。研 究了金刚石膜的生长特性,完善了高导热、高磨耗比的金刚石膜制 备工艺和金刚石膜工具的制备技术。论文主要内容如下: 一、放电特性研究: 研究了高气压直流辉光放电的特点,放电区间从低气压的多区 域演变成四个主要区域:阴极辉光层、法拉第暗区、辉光等离子体 球和阳极辉光层。研究了各放电区域的变化情况:阴极辉光层中通 过 热 电 子 发 射 和 γ 过 程 产 生 的 初 级 电 子 在 强 电 场 中 与 气 体 碰 撞 使 气体电离,提供大量的电子。随着气压的减小或放电电流的增加阴 极辉光层所覆盖阴极的面积增加;法拉第暗区中的电子能量较低, 电子和粒子的碰撞以弹性碰撞为主,在向阳极运动的过程中其能量 逐渐增加,暗区厚度主要与放电气体的种类有关而与其它放电参数 的关系不大;辉光等离子体球是粒子激发和离化的主要区域,其颜 色、尺寸和形状依赖于气体的种类、气体的浓度、气体的压强、放 电电流、电极尺寸比例、电极间距等。研究了各放电参量的相互关 系:放电电压随着气压的增加而增加,也随电极间距的增加而增加。 随电流的增加电压存在“饱和”值。电极间的阻值随放电电流的增 加而减小,说明随着电流的增加电离出的带电粒子数增加。 研 究 了 影 响 高 气 压 直 流 辉 光 放 电 稳 定 性 的 主 要 因 素 , 包 括 阴 极、电源等,采用电容-电感变换器原理,研制了适合于高气压直流 辉光放电的电源,可满足在高气压和大电流条件下稳定的直流辉光 放电要求。 二、金刚石膜的生长特性研究 研究了各种沉积条件对金刚石膜的生长速率、表面形貌、晶界、 124 WP=131 品质、均匀性等方面的影响,以及金刚石膜的微裂纹和爆裂等问题。 对金刚石膜生长速率影响较大的工艺参数是气体流量和放电电 流。采用甲烷、乙醇、丙酮、甲烷和甲醇的混合气体等研究了金刚 石膜的生长速率,金刚石膜的生长速率随碳源气体流量的增加而增 加。当碳源气体增加到一定值后,由于金刚石膜表面沉积了较多的 石墨相而抑制了金刚石相的沉积,同时,石墨容易被刻蚀,结果使 金刚石膜的生长速率降低,导致随着流量的增加生长速率存在极大 值。不同的碳源气体生长速率的极大值不同。适当地加入含氧的碳 源气体会使生长速率的极大值增加,当反应气氛中的含氧量较高时, 金刚石膜的表面由于受到“刻蚀”而使生长速率明显下降。金刚石 膜的生长速率随放电电流的增加也存在一个极大值,这个极大值随 着含碳气体流量的增加而增加。金刚石膜的生长速率随气体压强的 增加而增加,达到极大值后开始降低,其极大值随电流的增加而增 加,并向高气压方向推进。基片温度对生长速率有明显影响,1000℃ 左右有利于金刚石膜的高速生长。 甲烷+乙醇作为碳源气体研究了金刚石膜表面形貌。随着气体 流量的增加,逐渐从(111)和(110)混合面到(110)面再到(100) 面变化;使用甲烷+甲醇作为碳源气体,金刚石膜主要显露(111) 和(110)面,甲醇流量较大时,金刚石膜表面的晶粒棱角明显被 “刻蚀”;基片温度较低时,容易出现(100)面,随着温度的升高, 逐渐出现(111)面和(110)面,当温度升高到 1100℃时,晶型很 不完整。 研究了金刚石膜的晶界。采用氢的微波等离子体刻蚀抛光的金 刚石膜截面,清晰地看到了金刚石膜的晶界。低碳源气体流量制备 的高品质金刚石膜的晶粒又长又大,二次成核少,晶粒的纵向尺寸 大。随着含碳气体流量的增加,出现二次成核,在生长方向上晶界 密度明显增加。当含碳气体流量较大时,金刚石膜的质量明显下降, 表现为晶粒尺寸小,晶界密度高,晶界被刻蚀的又深又粗,说明晶 界中含有较多非金刚石碳相。而且,抛光的晶粒面上有被刻蚀的坑 125 WP=132 点,说明晶粒中也含有缺陷和杂质。 显微拉曼光谱研究结果表明:随着碳源气体流量的增加,金刚 石膜的品质下降。随着放电电流的增加,金刚石膜的品质提高。金 刚石膜的品质分布一般表现为在径向上逐渐降低,其主要原因是辉 光放电在径向上的不均匀性。 金刚石膜厚度的均匀性可分为四种情况,均匀形、凹形、中心 平整形和山形。影响金刚石膜厚度均匀性的主要因素是阴极和阳极 的尺寸比例、电极间距离、碳源气体流量和放电电流等。电极尺寸 比例和电极间距对金刚石膜的厚度分布影响是:大基片远间距容易 出现山形,小基片近间距容易使金刚石膜向均匀形转变。随着电流 的增加金刚石膜从山形向均匀形转变,随着碳源气体流量的增加金 刚石膜从凹形向均匀形转变,即大电流和大流量有利于制备均匀的 金刚石膜。气体流量大而放电电流小容易出现山形;气体流量小而 放电电流大容易出现均匀形。金刚石膜品质的均匀性表现为在径向 上逐渐降低。产生金刚石膜厚度分布差异的原因归结为等离子体球 的体积、
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:O484

【引证文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
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【参考文献】
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【共引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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10 王春莹;聚酯低温等离子体表面改性及喷墨印花应用性能研究[D];江南大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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【二级引证文献】
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3 吴春雷;郑友进;王明磊;张军;姜宏伟;刘艳凤;;温度对高甲烷含量下直流热阴极PCVD法制备纳米金刚石膜的影响[J];牡丹江师范学院学报(自然科学版);2011年04期
4 吴春雷;郑友进;朱瑞华;王丹;付斯年;黄海亮;;氩气浓度对氮掺杂金刚石膜的影响[J];人工晶体学报;2012年06期
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6 姜兆炎;彭鸿雁;姜宏伟;尹龙承;;不同氩气与氢气流量比对硼掺杂纳米金刚石膜的影响[J];真空;2011年05期
7 姜宏伟;黄海亮;贾相华;尹龙承;陈玉强;彭鸿雁;;直流热阴极PCVD法间歇生长模式制备金刚石膜[J];新型炭材料;2012年04期
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6 侯雪;氮气对DC-PCVD法制备金刚石膜的影响及金刚石膜的生长特性研究[D];吉林大学;2012年
7 刘昌龙;CVD金刚石膜残余应力的数值模拟[D];西南交通大学;2012年
8 刘军伟;沉积条件对CVD金刚石膜生长及其掺杂影响的研究[D];吉林大学;2011年
9 吴健;硬质合金表面改性及其沉积金刚石膜的研究[D];广东工业大学;2002年
10 陈春林;机械与氧化化学法抛光金刚石膜研究[D];广东工业大学;2003年
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