基于工业应用的CVD金刚石薄膜制备工艺及性能研究

CVD金刚石薄膜具有优异的物理和化学性质，在力学、声学、热学以及电子学等领域具有广泛的应用前景。本文采用自行设计的大功率热丝CVD系统在单晶硅片和硬质合金衬底上制备了金刚石薄膜，并对金刚石薄膜的均匀性、表面粗糙度、粘结性能以及导热性能进行了系统的分析和研究。 通过采用衬底旋转和灯丝非等距布置等措施，解决了大面积金刚石薄膜制备中衬底变形的难题，并在直径3英寸、厚度0.4mm单晶硅衬底上成功制备出了均匀的金刚石薄膜。衬底旋转能够细化晶粒，提高膜层的均匀性，但同时降低了薄膜的生长速率。衬底温度场的有限元模拟表明采用灯丝非等距布置能够显著地提高衬底温度场的均匀性，扩大了衬底温度场的等温区间。 沉积气压是控制金刚石薄膜晶粒尺寸和表面粗糙度的重要工艺手段，随着沉积气压降低，金刚石薄膜二次形核率提高，晶粒尺寸变小，表面粗糙度降低。在极低的沉积气压下（0.5kPa）制备出了晶粒度为30nm、表面粗糙度为25nm的纳米金刚石薄膜。 金刚石薄膜衬底预处理工艺和沉积工艺均对其粘结强度有重要影响。组合预处理法能够有效提高金刚石薄膜的形核密度和粘结强度。通过对沉积工艺的研究发现，过高或过低的沉积气压以及碳源浓度都对金刚石薄膜涂层刀具粘结性能产生不利的影响，制备高粘结强度金刚石薄膜涂层刀具比较合适的沉积气压和碳源浓度分别为4kPa和4%。 采用光热偏转法对金刚石薄膜/衬底复合体的导热性能进行测试分析表明，金刚石薄膜质量越好，（220）择优取向度越高，晶粒尺寸越大，膜厚越厚，其热导率就越高。