【正文】 。生長(zhǎng)面的表面粗糙度 Ra隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖 (b)所示。 成核面的表面粗糙度 Ra 隨拋光時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖 (a)所示。顯然這種拋光結(jié)果比單一拋光效果好，效率高。 (a) 成核面 (b) 生長(zhǎng)面 圖 金剛石厚膜電火花拋光后的表面輪廓曲線 測(cè)量長(zhǎng)度 (μm) 輪廓高度(μm) 測(cè)量長(zhǎng)度 (μm) 輪廓高度(μm) (a) 成核面 (b) 生長(zhǎng)面 圖 金剛石厚膜機(jī)械拋光后的表面輪廓曲線 圖 (a)、 (b)所示是金剛石厚膜的成核面及生長(zhǎng)面機(jī)械拋光后的表面輪廓曲線，可以看出機(jī)械拋光后成核面的輪廓曲線變化是非常明 顯的，已經(jīng)看不到曲線的劇烈變化。 形核區(qū)柱狀晶區(qū)生長(zhǎng)方向 圖 金剛石厚膜生長(zhǎng)過(guò)程示意圖 采用表面粗糙 度測(cè)量?jī)x對(duì)電火花拋光后的成核面和生長(zhǎng)面分別測(cè)量 Ra，結(jié)果測(cè)得成核面 Ra 為 ；生長(zhǎng)面 Ra 為 。 4. 機(jī)械拋光的結(jié)果與分析 表面粗糙度的影響 在金剛石厚膜的沉積過(guò)程中， 初期生長(zhǎng)形核階段，金剛石晶核密度較高，晶粒生長(zhǎng)速度基本一致，形成晶粒較細(xì)、分布均勻的形核面，隨著生長(zhǎng)過(guò)程的進(jìn)行，其生長(zhǎng)過(guò)程表現(xiàn)為競(jìng) 爭(zhēng)生長(zhǎng)方式，營(yíng)養(yǎng)豐富的晶粒沿著柱狀晶開始“瘋長(zhǎng)”，最后導(dǎo)致表面柱狀區(qū)表面粗大的晶粒表面， 生長(zhǎng)面變得粗糙不平 ，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 表 激光器的主要技術(shù)參數(shù) 最大 切割 直徑 激光頻率 (Hz) 轉(zhuǎn)變電容 (μF) 燈壓范圍 (kV) 轉(zhuǎn)換氣源 100 1， 5， 40， 80 100， 200 0～ HeN2 清洗設(shè)備是采用石家莊恒威電源科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的 CSQ1200型超聲波清洗機(jī)，如圖 所示， 主要技術(shù)參數(shù)見表 所示 。 表 機(jī)械拋光機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù) 最大拋光 直徑 (mm) 主軸轉(zhuǎn)速 (r/min) 異步電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min) 主電機(jī)功率 (kW) 裝夾頭數(shù) （ unit） 金剛石砂輪尺寸 (mm) 1400 10 3 Ф25036 激光切割采用的設(shè)備是電子工業(yè)部十一所生產(chǎn)的 開關(guān)型脈沖激光器，如圖 所示。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚晶金剛石、立方氮化硼等超硬材料的拋光。圖 (b)為放電電流 15A、脈沖間隔 70μs時(shí)，脈沖寬度與拋光效率的關(guān)系，結(jié)果顯示拋光效率隨著脈沖寬度的增大而增大，采用電火花加工摻雜金剛石厚膜的加工速度可以達(dá)到（采用量筒對(duì)金剛石厚膜拋光過(guò)程中的體積進(jìn)行測(cè)量得出數(shù)據(jù)）。圖 (f)是 EDM 拋光后金剛石表面的斷口橫截面 SEM 圖片，可以看出表面層多孔的黑色碳化物具有一定厚度，說(shuō)明金剛石表面經(jīng)過(guò)電蝕作用后表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，黑色碳化物 通過(guò) Raman 光譜分析，確定這些結(jié)構(gòu)的成分為石墨形式的碳，表明金剛石表面已經(jīng)石墨化。在放電電流較大時(shí)，有明顯的電蝕坑出現(xiàn)，加工表面也變得較粗糙。圖 (c)、 (d)中出現(xiàn)了較為明顯的電蝕坑，電蝕坑的形狀和大小不規(guī)則，坑表層覆蓋有黑色物質(zhì)，圖 (c)中的電蝕坑的直徑較小，深度較淺，圖 (d)中的電蝕坑的直徑較大，深度較深。分別采用 5A、 10A 和 20A的放電電流進(jìn)行電火花拋光，不同拋光電流產(chǎn)生的拋光效果是不同的。10 mm ，脈沖寬度 200～ 1500μs，脈沖間隔為 70～ 500μs，放電電流為 5～ 20A；由于 CVD金剛石厚膜不導(dǎo)電，表面采用磁控濺射物理氣相沉積的方 法沉積 的銅膜，作為導(dǎo)電層，制備參數(shù)見表 。 圖 電火花加工中心 圖 金剛石厚膜 EDM 拋光過(guò)程 圖 磁控濺射鍍膜機(jī) 將金剛石厚膜放 入王水（ HNO3:HCl=3:1）進(jìn)行沸騰加熱，除去金剛石厚膜生長(zhǎng)表面非金剛石成分的雜質(zhì)、成核表面產(chǎn)生的 MoC 和 Mo2C，時(shí)間 5 分鐘，將金剛石厚膜取出，并進(jìn)行烘干，除去表面的酸液，用離子水將金剛石厚膜沖洗干凈后，烘烤去除水分，濺射銅薄膜導(dǎo)電層，以便于進(jìn)行 EDM 拋光。 1. 電火花 實(shí)驗(yàn)條件及方法 電火花拋光實(shí)驗(yàn)是在蘇州沙迪克三光機(jī)電有限公 司的 YMT8 型 加工中心電火花設(shè)備上 進(jìn) 行的 ，如圖 所示，在工作臺(tái)上，拋光加工 CVD 金剛石厚膜過(guò)程如圖 所示。 二、厚膜的電火花和機(jī)械組合拋光技術(shù) 為了降低表面粗糙度，獲得較高的紅外透射率，克 服單一拋光方法效率低下和表面質(zhì)量難以控制的缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)選用電火花拋光（ electric dicharge machining, EDM）和機(jī)械拋光相結(jié)合的組合拋光方法。 因而，隨著等離子炬輸入功率的進(jìn)一步增加，原子氫的密度增加，甲 烷轉(zhuǎn)換的幾率增加。而后者主要從金剛石厚膜沉 積工藝的內(nèi)在動(dòng)力學(xué)加以解釋，隨著等離子體炬輸入功率的進(jìn)一步增加，等離子體的溫度也不斷提高，氫原子和上端流進(jìn)等離子炬的甲烷發(fā)生化合，產(chǎn)生活化的甲基，甲基濃度的大小對(duì)生長(zhǎng)速度起著決定性作用，其反應(yīng)式 234 HCHCHH ??? () 氣體 溫度越低，甲烷的轉(zhuǎn)換效率越低，轉(zhuǎn)化時(shí)間越長(zhǎng)。 從拉 曼曲線圖 的變化可以看出，隨著等離子體炬輸入功率的增加，金剛石厚膜的內(nèi)在質(zhì)量先變好， 而后隨著等離子體炬輸入功率的進(jìn)一步增加，金剛石厚膜的內(nèi)在質(zhì)量卻變壞了。 同時(shí)還可以看出隨著等離子體炬輸入功率的增加，晶粒尺寸不斷變大。在等離子體沉積金剛石厚膜的過(guò)程中雖然等離子體溫度在徑向方向從中心到邊緣部位是不均勻的，而且這已經(jīng)引起了活性離子濃度從中心到邊緣的分布不均勻，但是這些變化對(duì)金剛石厚膜的沉積速率影響很小。 (a) (b) kW (c) kW 圖 不同 輸入功率 時(shí)的 金剛石厚膜的 表面形貌 0 10 20 3020222426281 3 .6 5 kW1 7 .9 4 kW1 5 .4 0 kW 0 10 20 3010111213141516 W W W 圖 不同 輸入功率 時(shí)的 晶粒平均尺寸 圖 不同 輸入功率 時(shí)的 生長(zhǎng)速率 圖 1000 1200 1400 160010000202103000040000 1000 1200 1400 16006000120211800024000 1000 1200 1400 1600202104000060000 (a) kW (b) kW (c) kW 圖 不同輸入功率時(shí)的金剛石厚膜 的拉曼 光譜 基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到 隨著等離子體炬輸入功率的增加，等離子體的溫度也不斷提高，而且在較高的等離子體功率下生長(zhǎng)速率較大，但非常重要的是在三種等離子體功率下襯底表面的沉積溫度基本保持不變。通過(guò)測(cè)量中心區(qū)域晶粒尺寸的變化可以測(cè)量出其平均生長(zhǎng)速度，結(jié)果如圖 所示，從中心到邊緣的生長(zhǎng)速率有所減少，但是徑向的生長(zhǎng)速率總體變化不大，在 下，從中心的 /h減少到邊緣的 /h，平均生長(zhǎng)速率達(dá)到 /h；在 下，從中心的 /h減少到邊緣的 /h，平均生長(zhǎng)速率達(dá)到 /h；在 下，徑向的生長(zhǎng)速率從中心的 /h減少到邊緣的 /h，平均生長(zhǎng)速率達(dá)到 /h。晶粒沿徑向的平均尺寸分布如圖 所示，呈現(xiàn)從中心（中心到半徑 10mm區(qū)域）到邊緣（半徑 20mm 到 30mm 區(qū)域）有所減少，晶粒尺寸沿徑向的變化較小，表明沉積過(guò)程中溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)比較均勻。 圖 是不同輸入功率時(shí)的金剛石厚膜的表面形貌。通常情況下，隨著等離子體炬輸入功率的提高，晶粒度和生長(zhǎng)速率也不斷增大，對(duì)紅外光波的散射和吸收就更強(qiáng)。 輸入功率對(duì)金剛石厚膜沉積的影響 輸入功率不同，等離子體的密度就會(huì)不同，等離子體的密度的大小體現(xiàn)了等離子體中活性基團(tuán)的多少。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)仿真計(jì)算的溫度值（ 850℃）比紅外實(shí)際測(cè)量值（ 900℃）要低一些，然而盡管溫度的測(cè)量結(jié)果在數(shù)值上有差異，但是它們的變化趨勢(shì)和規(guī)律是一致的。高溫電弧等離子體射流中活性基團(tuán)必須通過(guò)該邊界層才能到達(dá)襯底表面進(jìn)行沉積，由于在邊界層的擴(kuò)散過(guò)程中伴隨著這些活性基團(tuán)的過(guò)程，并且邊界層越厚，能夠到達(dá)基片表面的活性基團(tuán)就越少。 (a) 800℃ (b) 900℃ (c) 1000℃ 圖 不同襯底溫度時(shí)金剛石厚膜的 表面形貌 1000 1200 1400 1600202104000060000 1000 1200 1400 16004000800012021 1000 1200 1400 1600020210400006000080000 (a) 800℃ (b) 900℃ (c) 1000℃ 圖 不同襯底溫度時(shí) 金剛石厚膜的 拉曼曲線 20 40 60 80 100 120010000202103000040000(311)(220)(111) intensity (.)2 ? ( deg ree) 40 80 120030006000900012021 (311)(220)(111)Intensity (a.u.)2 ? (degre e) (a) 800℃ (b) 900℃ (c) 1000℃ 圖 不同襯底溫度時(shí)金剛石厚膜的 XRD 譜線圖 基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 通過(guò)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到的高溫電弧等離子體射流與溫度較低的襯底表面之間存在的一層顏色較暗的邊界層來(lái)加以解釋。進(jìn)一步說(shuō)明，隨著襯底溫度的提高，金剛石膜的結(jié)構(gòu) 發(fā)生變化，低溫沉積時(shí) (220)占主要織構(gòu)，而較高溫度時(shí)則是 (111)織構(gòu)。對(duì)應(yīng)的 拉徑向距離 (mm) 平均尺寸(μm) 徑向距離 (mm) 生長(zhǎng)速率(μm /h) 波數(shù) (cm1) 強(qiáng)度(a.u.) 波數(shù) (cm1) 強(qiáng)度(a.u.) 波數(shù) (cm1) 強(qiáng)度(a.u.) 曼曲線 如圖 ，從圖 (a)的 Raman譜中發(fā)現(xiàn)金剛石的特征峰都非常明銳(在波數(shù) 1355cm1附近 )，同時(shí) 1500cm1附近有一個(gè)寬廣峰存在，雖然強(qiáng)度較低，但是表明金剛石厚膜內(nèi)有一定的雜質(zhì)；而從圖 (b)的 Raman譜中發(fā)現(xiàn)金剛石的特征峰都非常尖銳 (在波數(shù) 1356cm1附近 )，峰的強(qiáng)度比 800℃ 時(shí)強(qiáng)，沒(méi)有任何雜質(zhì)峰存在，說(shuō)明金剛石厚膜純度較高，對(duì)紅外透射性能非常有利；從圖 (c)的 Raman譜中可以看到 Raman譜中，金剛石的特征峰都非常明銳 (在波數(shù) 1360cm1附近 )，峰的強(qiáng)度比 900℃ 時(shí)更強(qiáng)，在 1450cm1附近有一個(gè)強(qiáng)度較低碳的雜質(zhì)峰，說(shuō)明膜內(nèi)有一定碳的 SP2結(jié)合鍵的存在，將會(huì)引起紅外透射波的吸收和散射。氣體壓強(qiáng) 時(shí)，金剛石厚膜的生長(zhǎng)速度較快，同時(shí)原 子 H 對(duì)非金剛石成分的刻蝕作用加強(qiáng)，晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的環(huán) 境較好，因而表面晶粒的尺寸比 時(shí)小，對(duì)提高金剛石厚膜的紅外透射率非常有利 。分別 對(duì)其表面進(jìn) 行拉曼光譜分析，曲線如圖 所示，不同氣體壓強(qiáng)下金剛石的特征峰 ，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何雜質(zhì)峰出現(xiàn)，只有金剛石的特征峰發(fā)生微小位移，表明金剛石厚膜的純度較高，非金剛石成分很少，是高質(zhì)量的金剛石厚膜。 從圖中可以看出 在 、 的 氣體壓強(qiáng)下金剛石厚膜 中心部位的 平均晶粒尺寸分別是、 。圖 是不同壓力下厚膜徑向的生長(zhǎng)速率曲線，從圖 (a)～ (c)中可以看出 在 、 的 氣體壓強(qiáng)下金剛石厚膜 中心部位的 平均生長(zhǎng)速率分別是、 。電弧噴射到底端的形狀開始向陽(yáng)極噴嘴上端爬行，造成電弧形狀不能向下正常噴射到襯底表面，進(jìn)行金剛石厚膜的沉積，同時(shí)陽(yáng)極噴嘴表面和真空室外壁溫度上升速度很快，甚至能夠觀察到陽(yáng)極噴嘴燒紅的現(xiàn)象，如果長(zhǎng)時(shí)間保持這種沉積狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成觀察窗炸裂和等離子炬的橡膠密封圈的軟化，引起真空室滲漏現(xiàn)象，漏水、漏氣直接使得金剛石厚膜無(wú)法沉積，這種現(xiàn)象也是金剛石厚膜沉積過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象，因此要保證金剛石厚膜的穩(wěn)定沉 積，反應(yīng)室的工作氣體壓強(qiáng)不宜過(guò)高。 隨著真空室沉積 氣體壓強(qiáng)變化到 4kPa， 從圖 (b)中可以看到 電弧的亮度更強(qiáng)，透射相同濾光片可以清晰看到電弧的噴射焰更加明亮， 雖然氣體壓強(qiáng)提高會(huì)導(dǎo)致電子自由程的減小，但是等離子體中活性基團(tuán)的濃度卻大大增加了，等離子體溫度逐漸上升，等離子射流趨于平衡，射流和襯底表面的邊界層的厚度進(jìn)一步減小，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)襯底表面的活性離子濃度增加，導(dǎo)致沉積速率增加。 圖 是襯底溫度 900℃ 、輸入功率 、甲烷濃度 1%、不