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CVD金刚石膜的附着性能与应用

马丙现  
【摘要】:附着性能的高低是CVD金刚石膜应用的基本问题之一。本文讨论了气相沉积金刚石薄膜的生长机理,sp~2杂化碳的存在方式,织构生长的本质等影响薄膜结构的一般性问题,并讨论了薄膜的一些结构特征对薄膜附着性能的影响。本文分析了几个对附着性能有不同要求的应用实例,阐明了这些实例中影响附着性能的主要因素,给出了一定程度上满足这些应用实例对附着性能要求的工艺参数。 [1] 评价了影响附着性能的主要因素:多晶衬底上的金刚石薄膜受到切削力时,机械锁合作用的本质为品粒间的弹性相互作用,它和薄膜衬底之间的结合力、薄膜应力一样对薄膜的附着性能产生重要影响。 [2] 对金刚石生长过程给出了动力学热力学的综合描述:CVD固相碳的生长过程为受热力学因素影响,由表面模板控制的表面反应过程。这一描述包含了动力学控制模型、表面反应模型、氢原子刻蚀模型中合理的部分,在考虑了表面模板作用这一动力学控制因素以后,使热力学因素的影响、动力学控制、表面反应、氢原子刻蚀等对金刚石生长过程的描述合并为一完整的理论: a.碳原子在碳氢化合物中的化学势高于固相碳,气相碳氢化合物的碳原子有可能落到化学势较低的石墨相或金刚石相。 b.气相碳通过表面反应实现向固相碳的转化。 c.表面的模板作用是控制气相碳原子转换方式的主要动力学因素,不同的表面(石墨各种取向的表面及金刚石不同取向的表面)选择了落入其上的碳原子的结构方式及能量状态。 d.因此,衬底的不同区域可发生几种不同的独立的表面反应过程,这些反应对应于不同表面的生长。 e.而这些表面反应的方向性及速度受表面临域热力学因素的影响,反应的方向性决定了某种晶面是生长或刻蚀。在特定的温度、压强及各种气体分压下可以实现金刚石生长和石墨的刻蚀。 f.衬底局域晶格结构及键价结构和衬底表面气相的温度、压强及各种气体分压等热力学条件共同决定了成核的临界条件。 郑州大学博十学位论文 摘要 9.与外界有能量和物质交换的等离子体系统,以及气相中发生的一系列化学 反应,仅起到了维持某种固相表面生长所需要的非平衡热力学条件和化学条件的 作用。 【3]对动力学热力学的综合描述中包含的模板概念及其作用做了详细的说 明:模板概念是具有特定原子基团、特定几何对称性,特定电子对称性,特定键 价结构以及特定周期性等表面结构特征的抽象。模板的动力学控制作用表述为以 下几个方面: a.金刚石或石墨表面维持新增碳原子层与模板结构的一致性,金刚石模 板在氢原子钝化表面的情况下,倾向于使新增碳原子维持sp3杂化状态,而石墨 表面将诱导碳原子由Sp3杂化状态向sp,杂化状态的退化。 b,虽然单个Sp3杂化键比Sp,杂化键具有更高的能量,但是在金刚石表面, 如果新增碳原子以SpZ杂化方式结合进去将引起周围表面结构的变化使体系能 量升高而只有以Sp3方式结合进去具有更低的能量,才更稳定。 。.特定结构的模板在空间构成了捕获特定原子基团的特定结构的周期性 势阱,增加了按特定方式捕获特定原子基团的概率。从而,使无序基团生长有 序结构的4氏概率事件变成了由模板主导再生有序结构的高概率事件。 【4」通过间歇式关闭甲烷气体,考察了氢对spZ杂化碳原子的强化刻蚀。结 果表明,氢对Sp,杂化碳原子的强化刻蚀并未影响金刚石薄膜的品质和微观结 构。这一结论说明,在金刚石薄膜中,Sp‘杂化碳原子主要存在于金刚石晶粒表 面和晶界碳原子之间,而不是以石墨或无定形碳颗粒为主要存在方式。 【51因为存在性质上的极大差别,sp,杂化碳含量将对金刚石薄膜力学性能 有较大影响。对不同品质的金刚石薄膜应力及附着性能分析表明,由于存在于金 刚石晶粒之间sp,杂化碳的缓冲作用,薄膜中sp’杂化碳的含量对薄膜中残余应 力有较大的影响,薄膜应力统计性地随sp,杂化碳含量的增加而减小。 [6〕实验表明:实验条件对不同取向晶粒的生长速度的影响,并不是影响 织构特征的主要因素,实验条件主要影响不同取向晶核的形核临界条件,从而 影响不同晶核的形核比率和二次形核比率,而在整个织构生长过程中,不同取 向晶面本身的模板作用选择了自身的生长方式。这一实验所能给出的解释与现 有织构生长的“速度决定的,过程中完成的”的理论不相一致。 郑州大学博卜学位论文 摘要 【7]分析了薄膜织构特征与薄膜应力的关系。由于金刚石晶体各向异性特 征,以及织构特征对晶粒排列方式等薄膜结构特征的影响,薄膜应力随(111) 织构特征的增强而减弱。 【8]通过金刚石粉悬浊液超声硬质合提高成核密度,发现成核密度的提高 并不能有效提高薄膜在衬底上的附着性能。这说明:金刚石形核主要由金刚石 粉遗留晶籽贡献的情况下,成核密度的提高并不能有效改变薄膜与硬质合金基 体之间的化学结合力 【9」厚度不同引起残余应力的不同,从而影响薄膜的附着性能。在压痕实 验中,我们给出了薄膜开裂尺寸随沉积时间的变化趋势,其特征是超过一定时 间(对应一特定厚度)薄膜的开裂尺寸迅速增大。 与附着性能有关的几个应


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