【正文】 入反應(yīng)室中氣體的總流量與被真空系統(tǒng)抽走的氣體量來控制，是氣體流動的動態(tài)平衡過程。 氣體壓強的大小直接影響到等離子體氣 體中活性基團和原子氫的平均自由程大小，氣體分子平均自由程的大小為 PT 22???? ? () 式中 λ 是分子平均自由程， P 是氣體壓強， σ 是分子直徑， T 是氣體平均溫度。因此在正交實驗過程中，保持甲烷濃度 %、輸入功率 不變，研究不同氣體壓強下金剛石厚膜質(zhì)量的變化規(guī)律。這是由于氣體壓強較低，電子自由程較大，與活性氣體碰撞的幾率增大，因而射流高速噴射過程中，活性氣體的電離幾率大大增加，因而沉積速率增大；但是另一方 面氣體壓強的降低，同時會導(dǎo)致在襯底表面穿過邊界層的活性基團的數(shù)量減少，雖然金剛石厚膜的質(zhì)量得到了改善，但是沉積速率卻大大降低了。 隨著壓強的進(jìn)一步增加，當(dāng)氣體壓 強達(dá)到 時， 從圖 (c)中可以看到 電弧開始變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致沉積參數(shù)漂移，甚至無法進(jìn)行正常沉積。 由于沉積室氣體氣體壓強的提高，等離子體溫度逐漸上升，活性基團的濃度也在上升，同時電弧的噴射速度減小了，射流和襯底表面的邊界層的厚度將增加，通過邊界層的活性基團減少，因而 金剛石厚膜 徑向生長速率也隨之減小。生長的金剛石厚膜的徑向平均晶粒尺寸如圖 所示，晶粒平均尺寸的大小采用 SEM 標(biāo)尺進(jìn)行統(tǒng)計。金剛石生長表面的形貌如圖 所示，圖 (a)中表面晶粒清晰可見，棱角分明，晶粒尺寸較大，圖 (b)中 晶粒表面晶形規(guī)整，晶粒大小基本一致，表面沒有發(fā)現(xiàn)任何碳點和雜質(zhì)， 圖 (c)中 晶粒形狀清晰可見，晶形分明，在相同放大倍數(shù) (1000) 下，晶粒尺寸偏小，沒有觀察到任何碳點和表面缺陷。 可以看出氣體壓強的變化對電弧穩(wěn)定生長金剛石厚膜至關(guān)重要，但是對金剛石厚膜內(nèi)在質(zhì)量的影響很小，拉曼峰的漂移是由于金剛石厚膜的內(nèi)應(yīng)力較大和金剛石厚膜與鉬襯底的熱膨脹系數(shù)不同引起的。 (a) kPa (b) 4 kPa (c) kPa 圖 不同氣體壓強下電弧的形狀 (透射過濾玻璃 ) 0 5 10 15 20 25 30p= k Pap= k Pap= k Pa 0 5 10 15 20 25 30345678P = 3. 2k P aP = 4k P aP = 8. 5k P a 圖 不同壓 強 下厚膜徑向生長速率 圖 不同壓 強 下徑向平均晶粒尺寸 (a) kPa (b) kPa (c) kPa 圖 不同壓 強 下金剛石 厚膜表面 的 SEM 1000 1200 1400 16004000800012021160002021024000 1100 1200 1300 1400 1500 1600400080001202116000 Intensity(a.u.)Wav en u m b er(c m 1 ) 1100 1200 1300 1400 1500 16002021400060008000100001202114000 (a) kPa (b) kPa (c) kPa 圖 不同壓 強 下 金剛石 厚膜 的 拉曼光譜 襯底溫度對金剛石厚膜沉積質(zhì)量的影響 圖 襯底溫度時的金剛石厚膜的表面形貌，圖 (a)為 800℃ 時的SEM圖片，圖中金剛石厚膜表面的晶粒平均尺寸為 ，晶粒分布均勻，結(jié)晶形態(tài)較好，棱角清晰，但生長速率較慢；圖 (b)是襯底溫度為 900℃ 時的 SEM圖片，可以清晰地看到晶粒結(jié)晶形態(tài)十分良好，在相同放大倍數(shù) (1000)下，晶粒大小比 800℃ 時的尺寸稍大，晶粒平均尺寸為 ，生長速率快；圖 (c)是襯底溫度為 1000℃ 時的 SEM圖片，在相同放大倍數(shù) (1000)下，晶粒大小明顯比 900℃ 時的尺寸更大，晶粒平均尺寸為 ，競爭生長現(xiàn)象嚴(yán)重。 圖 XRD曲線，圖 (a)曲線表明，厚膜均為多晶結(jié)構(gòu)，特征衍射 峰 (111)、 (220)、 (311)清晰可見，而且有較多的雜質(zhì)碎峰出現(xiàn)，最終呈現(xiàn)出較強的 (220)織構(gòu)；而 圖 (b)曲線 則表明，雖然特征衍射峰(111)、 (220)、 (311)清晰可見，沒有出現(xiàn)任何雜質(zhì)碎峰，但是 (111)晶面的衍射強度發(fā)生了變化，而 (111)衍射強度均迅速增加， (220) 衍射強度均迅速減小，最終呈現(xiàn)出 (111)織構(gòu)，膜的內(nèi)在質(zhì)量很好，純度高；圖 (c)是 1000℃ 時金剛石厚膜的 XRD曲線，特征衍射峰 (111)、 (220)、 (311)清晰可見，同時伴有較多的雜質(zhì)碎峰， (111)和 (220)晶面的衍射強度發(fā)生了變化，而 (111)衍射強度更強， (220)衍射強度更小，最終呈現(xiàn)出比較強的 (111)織構(gòu)。雜質(zhì)碎峰的出現(xiàn)和激光拉曼的測 量結(jié)果是一致的，是最終導(dǎo)致金剛石厚膜紅外透射率降低的主要原因之一?；臏囟容^低時該邊界層就越厚，在邊界層內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱過程是一個擴散控制過程，而非強制對流過程。另外，在較低溫度下，吸附在金剛石薄膜表面的原子氫的脫附率低 減少了金剛石表面懸鍵的數(shù)量．因此，金剛石薄膜的生長速率隨著基片溫度的降低而降低 ，金剛石薄膜的晶粒尺寸也隨之減小。在進(jìn)行流場的分析時，只考慮了等離子射流在一定的壓力下從進(jìn)氣口經(jīng)過等離子炬陽極通道噴射到陽極噴嘴的傳熱過程，忽略了在等離子體射流氣體流動過程中磁場線圈對射流產(chǎn)生的攪拌作用和氣體分配環(huán)切向的旋轉(zhuǎn)作用等因素的影響，這些結(jié)構(gòu)上的設(shè)計都能夠加速等離子體射流在流動通道中的熱量交換，尤其是對流和輻射作用的增強；同時陽極通道中限束環(huán)對流體 的阻擋作用也是非常有益于等離子體射流在陽極通道中的熱交換，因而造成了襯底仿真的溫度值比實驗測量值低的結(jié)果，另外有限元理論的自身誤差和建模時的各種假設(shè)也會波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 引起這種差異。等離子體密度越大，則等離子體中的活性基團就越多，金剛石的生長速率就越快。因而輸入功率對金剛石厚膜生長過程中的表面形 貌、晶粒尺寸、內(nèi)在質(zhì)量和紅外透波性能等均有較大的影響。從晶體形貌上看，晶粒的大小差別，表面晶粒晶形完整、致密，且隨著輸入功率的增大，晶粒直徑變大。在 下，從中心平均尺寸的 ，平均為 ；在 下 ，中心平均尺寸 ，邊緣平均尺寸 ，平均為 ；在 下，中心平均尺寸為 ，邊緣平均尺寸為 ，平均為 。對應(yīng)功率下制備的金剛石厚膜的拉曼曲線如圖 所示，從 圖 (a)可以發(fā)現(xiàn)金剛石厚膜的特征峰 ，金剛石膜的主要成分的結(jié)構(gòu)是 SP3鍵，在 1500 cm1附近出現(xiàn)微小雜質(zhì)寬帶峰，表明金剛石厚膜的內(nèi)存在一定的無定形碳的成分；從 (b)可以發(fā)現(xiàn)金剛石厚膜的特征峰 cm1非常明顯，沒有 發(fā)現(xiàn)其它任何雜質(zhì)峰，表明金剛石厚膜的內(nèi)在質(zhì)量較高；從 (c)可以發(fā)現(xiàn)金剛石厚膜的特征峰 cm1非常明顯，在 1580 cm1附近有一個寬廣的凸起雜質(zhì)峰，表明金剛石厚膜的內(nèi)在質(zhì)量有一定的缺陷和非金剛石成分，都會引起紅外透射率的降低。通常情況下， CVD 金剛石厚膜的沉積速率是隨著襯底溫度的提高而提高。等離子體的能量密度的分布對活性氣體徑向濃度和生長速率 的影響很大，因此活性氣體沿徑向濃度的變化比等離子體功率對生長速率的影響要小得多，而導(dǎo)致徑向尺寸變化和沉積速率變化的 主要原因是因為等離子體噴射沉積過程中電弧的中心溫度高，邊緣溫度低，決定生長速 度的平均晶粒尺寸(μm) 徑向距離 (mm) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 生長速率(μm /h) 徑向距離 (mm) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 活性基 團的濃度呈現(xiàn)中心部位高，而邊緣部位低的現(xiàn)象。但是在任何一種等離子體功率下金剛石厚膜的晶粒尺寸幾乎保持不變，隨著輸入功率的增加金剛石晶粒尺寸也在不斷增加。前者主要是因為隨著等離子炬輸入功率的增加，氣體離化率進(jìn)一步增大，原子氫的濃度增大，導(dǎo)致金剛石厚膜的質(zhì)量得到改善。當(dāng)冷的甲烷氣體從入口處進(jìn)入等離子炬時，氣體溫度較低，甲烷 CH4 向活性甲基 CH3 的轉(zhuǎn)換時間較長，只有部分已經(jīng)達(dá)到較高溫度外表面甲烷 CH4氣體快速參與了 ()式的反應(yīng)，生成了活性基團甲基 CH3，促進(jìn)了金剛石厚膜的沉積，而另外一部分甲烷 CH4 氣體則隨著等離子炬輸入功率的增大，分解為各種活性含碳源基團，如 C、 C C2H和 C2H2，參與了金剛石厚膜的沉積，而且碳源氣體的濃度也和等離子體氣體溫度的分布相一致。由公式（ ）可知，活性基團甲基的濃度增大，金剛石厚膜的沉積速率增加，同時金剛石厚膜中的缺陷和無定形碳的含量也會有所增加，導(dǎo)致金剛石厚膜的內(nèi)在質(zhì)量有所下降，最終導(dǎo)致紅外透射率的降低。所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括 EDM 放電電流和脈沖寬度對表面形貌的影響規(guī) 律；機械拋光中砂輪粒度和拋光面積對拋光效率和表面缺陷的影響規(guī)律；生長面和成核面的不 同拋光階段中表面和結(jié)構(gòu)變化的影響規(guī)律；組合拋光過程中厚膜內(nèi)應(yīng)力的變化規(guī)律。 CVD 金剛石厚膜表面導(dǎo)電層的沉積設(shè)備是北京儀器公司生產(chǎn)的 DH500 型濺射鍍膜機，如圖 所示。 EDM 拋光加工過程中主要參數(shù)為：加工電壓為 45V，電極材料為銅，直徑為 216。 表 銅導(dǎo)電膜的主要制備參數(shù) 本底 氣體壓強(Pa) 主軸轉(zhuǎn)速 (r/min) 濺射電流(A) 濺射電壓(V) 濺射時間(min) 晶控膜厚(mm) 2 103 68 360 200 2. 電火花拋光 實驗結(jié)果與討論 電流對表面形貌的影響 拋光前金剛石顆粒的分布連續(xù)，晶形完整，晶粒凸起，厚膜表面凸凹不平，晶粒有明顯的尖峰，測量表面粗 糙度值 Ra 為 23μm。圖 (a)中金剛石厚膜的表面尖峰已消失，三維立體形貌圖片如 (b)所示，放電后表面沒有明顯的金剛石顆粒，表面覆蓋一層結(jié)構(gòu)疏松的黑色物質(zhì)。隨著放電電流的增加，電火花對金剛石的電蝕作用增強，在放電電流較小時， 金剛石厚膜的表面較平坦，沒有明顯的電蝕坑。從圖 (e)可以看出，放 電表面留下的黑色物質(zhì)呈現(xiàn) 菜花狀及層片狀的 多孔結(jié)構(gòu)，可以通過機械拋光進(jìn)一步提高拋光效率和表面粗糙度。 (a) 5A (b) 表面 3D 圖片 (c) 10A (d) 20A (e) 20A (f) 20A橫截面結(jié)構(gòu) 圖 金剛石厚膜電火花拋光 后表面的 SEM 電流和脈沖寬度對拋光效率的影響 圖 (a)為脈沖寬度 380μs、脈沖間隔 250μs時放電電流與拋光效率的關(guān)系曲線，結(jié)果顯示拋光效率隨著放電電流的增大而增大。 0 4 8 12 160. 00. 20. 4 200 400 600 800 1000 (a) 拋光效率和放電電流 (b) 拋光效率和脈沖寬度 圖 電火花加工 拋光效率和放電電流、脈沖寬度的關(guān)系 曲線 放電電流 (A) 拋光效率(mm3 /min) 拋光效率(mm3 /min) 脈沖寬度 (μs) 3. 機械拋光 實驗條件及方法 機械拋光采用的設(shè)備是北京電加工研究所的聚晶金剛石鏡面拋光機床，型號是 BDJP903，如圖 所示。表 是機床的主要技術(shù)參數(shù)。該設(shè)備可以在 金剛石厚膜 表面進(jìn)行切割，消除生長裂紋對拋光工藝的影響，主要技術(shù)參數(shù)見表 所示。 表 超聲波清洗機的主要技術(shù)參數(shù) 超聲功率 (W) 加熱功率（ W） 工作頻率 (kHz) 清洗槽尺寸（ mm3） 1200 2021 20， 25， 28 540380360 圖 金剛石鏡面拋光機 圖 開關(guān)型脈沖激光器圖 圖 超聲波清洗機 機械拋光過程中，采用鄭州磨料磨具磨削研究所生產(chǎn)的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪， 100目和 120目兩種砂輪分別拋光，拋光磨削過程中分別加入金剛石微粉的粒度分別為 14μm、 10μm、 2μm，金剛石微粉是由北京新世紀(jì)北極星金剛石科貿(mào)有限公司生產(chǎn)的 , 采用超聲波清洗的方法對單面已經(jīng)電火花拋光過的金剛石厚膜進(jìn)行清洗，去 除表面磨削產(chǎn)生的污垢和雜質(zhì)，并用遼寧新賓滿族自治縣膠廠生產(chǎn)的 SB603 萬能膠膠粘劑，其特點是 A、 B 雙組分高性 能改性丙烯酸酯膠，按照1:1 的比例經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬髮?EDM 拋光 后 的金剛石試樣粘貼在拋光盤底部，對已經(jīng)粘好的金剛石厚膜進(jìn)行單面研磨拋光，單面拋光完成后，使用丙酮溶液進(jìn)行浸泡，并使得金剛石厚膜脫落。經(jīng)過電火花拋光加工后，生長表面尖端的棱角被拋平，開始表面粗糙度下降較快，成核面表面晶粒細(xì)，電火花拋光后表面相對比較平整。圖 (a)、 (b) 分別表 示電