摘要：

金剛石具有優異的力學、熱學、光學、電學和聲學性能，引起了各界科學工作者的廣泛關注，對金剛石的研究己成為材料、物理和化學界的研究熱點。

本研究工作在自行設計的功率分別為1kw 和10Wk 級的兩個熱絲CVD系統中進行，首先， 在小功率熱絲CVD系統中引入第二根燈絲, 構成了“雙燈絲” 的試驗裝置, 并和襯底之間構造了不同的輔助方法，分別在直流放電和射頻放電的情況下比較分析了增強沉積金剛石生長機制。結果表明, 沒有襯底偏壓而僅在雙燈絲間激發等離子體時能夠顯著增強金剛石的生長, 據此提出了CVD 金剛石的活性絡和物生長模型。

一臺10 k w 級大功率熱絲CVD 設備,解決了沉積大面積金剛石厚膜過程中燈絲壽命和襯底表面溫度均勻等關鍵問題, 探索了沉積大面積金剛石厚膜的工藝。為解決熱絲法沉積金剛石的燈絲污染問題, 提出了擔絲表面包鎢的思想, 并在750A 的強電流下成功地實現了包鎢試驗用X 射線衍射儀的薄膜附件測試分析金剛石厚膜內的晶格松弛現象, 發現沉積金剛石厚膜過程中存在高溫自退火的作用, 運用晶格松弛的觀點很好地解釋了金剛石薄膜涂層刀具與厚膜釬焊刀具的耐磨性能差異。

一、金剛石結構

碳在自然界極其豐富, 根據人們對碳元素的研究, 把自然界中碳的組成用下面的形式給予分類:

其中金剛石是本文介紹重點：金剛石的晶體結構屬于立方晶系, 是由兩個面

心立方晶格沿對角線平移四分之一長度套構而成。

金剛石的晶胞空間結構示意圖

化學氣相沉積金剛石可以概括為：將含碳氣氛與過飽和的氫氣混合，經過某種方式活化后通過襯底， 在一定的氣氛組成、活化能量、襯底溫度以及襯底與活化源之間的距離等條件下， 在襯底表面沉積金剛石薄膜。一般認為， 金剛石膜的形核與生長可以分為三個階段。

 (1)含碳氣體和氫氣在一定的溫度下分解成碳、氫原子和其它活性游離基團， 他們與基體結合先形成一層很薄的碳化物過渡層；

(2)碳原子在基體上形成的過渡層上沉積金剛石晶核；

(3)形成的金剛石晶核在適當的環境下長大成金剛石微晶， 繼而長大成金剛石薄膜。

CVD合成金剛石薄膜的裝置己經開發出許多種, 但都有一共同特性, 即稀釋在過量氫氣中的低分子碳烴氣體, 在一定能量( 熱能或電磁能) 的激發作用下產生等離子體, 通過適宜的沉積工藝在基片上沉積出金剛石薄膜。在化學氣相沉積系統中,根據能量來源的不同, 可將沉積CVD金剛石的方法分為表示表1.1中所示的方法。

主要的CVD金剛石沉積方法比較

金剛石具有穩定的原子結構, 在機械、熱學電子、聲學和光學等方面表現。出優異的性能, 如表1.3所示, 使得金剛石在這些領域中的應用極其廣泛, 引起了科學界的極大興趣和廣泛關注。

金剛石在某個領域的應用是多種優異性能的綜合體現, 目前CVD金剛石比較成熟的應用技術之一主要是機械領域的工模具, 這涉及到金剛石的超高硬度、熱膨脹系數、摩擦系數和極佳的熱導率等優異的物理特性。而CVD金剛石刀具的技術路線一般包括CVD金剛石薄膜涂層刀具。

CVD金剛石薄膜涂層刀具壽命取決于薄膜的厚度和與襯底的結合強度。當金剛石膜較薄時, 刀具因容易膜磨穿而失效; 當結合強度較低時, 薄膜未磨穿即開裂或脫落, 也會影響刀具的使用壽命。據相關實驗表明, 隨著金剛石薄膜的增厚, 由于膜的內應力增大, 結合強度會下降。因此, 涂層刀具的厚度應適當, 否則將影響刀具的壽命和成本。

 

鵬城半導體技術（深圳）有限公司（簡稱：鵬城半導體）研發設計制造了熱絲CVD金剛石設備，分為實驗型設備和生產型設備兩類。

 

設備主要用于微米晶和納米晶金剛石薄膜、導電金剛石薄膜、硬質合金基金剛石涂層刀具、陶瓷軸承內孔鍍金剛石薄膜等。例如可以制造大尺寸金剛石多晶晶圓片，用于大功率器件、高頻器件及大功率激光器的散熱熱沉；可用于生產制造防腐耐磨硬質涂層；環保領域污水處理用的耐腐蝕金剛石導電電極等。

 

可用于平面工件的金剛石薄膜制備，也可用于刀具表面或其它不規則表面的金剛石硬質涂層制備。

平面工作尺寸

 

圓形平面工作的尺寸：φ650mm。

 

矩形工作尺寸的寬度600mm/長度可根據鍍膜室的長度確定（如：工件長度1200mm）。

 

配置冷水樣品臺。

 

熱絲電源功率

 

可達300KW，1KW ～300KW可調（可根據用戶工藝需求配置功率范圍）

 

設備安全性

 

-電力系統的檢測與保護

 

-設置真空檢測與報警保護功能

 

-冷卻循環水系統壓力檢測和流量檢測與報警保護

 

-設置水壓檢測與報警保護裝置

 

-設置水流檢測報警裝置

設備構成

 

真空室構成

 

雙層水冷結構，立式圓形、立式D形、立式矩形、臥式矩形,前后開門，真空尺寸,根據工件尺寸和數量確定。

 

熱絲

 

熱絲材料：鉭絲、或鎢絲

 

熱絲溫度：1800℃～ 2500℃ 可調

 

樣品臺

 

可水冷、可加偏壓、可旋轉、可升降 ，由調速電機控制，可實現自動升降，（熱絲與襯底間距在5 ～ 100mm范圍內可調），要求升降平穩,上下波動不大于0.1mm。

 

工作氣路（CVD）

 

工作氣路根據用戶工藝要求配置：

 

下面氣體配置是某一用戶的配置案例。

 

H2(5000sccm，濃度100%)

 

CH4(200sccm，濃度100%)

 

B2H6（50sccm，H2濃度99%）

 

Ar(1000sccm，濃度100%)

 

真空獲得及測量系統

 

控制系統及軟件

 

實驗型 熱絲CVD金剛石設備

單面熱絲CVD金剛石設備

雙面熱絲CVD金剛石設備

生產型熱絲CVD金剛石設備

可制備金剛石面積-寬650*1200mm

可制備金剛石φ 650mm