HFCVD法制备金刚石薄膜
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HFCVD法制备金刚石薄膜
胡衎 苏峰 王智文 胡巍巍
王仲涛 张彧 周傲 鞠江伟
1
内容
金刚石薄膜简介 HFCVD法制备金刚石薄膜 结构及性能分析 小结
2
简介
金刚石薄膜的许多优异性能是其它材料所无法比拟的， 它具有天然金刚石般的硬度和弹性模量，极高的热导率，非 常好的化学稳定性，以及优越的光学特性，在很宽的光波范 围内透明，并具有很高的折射率，另外它的禁带宽度高，介 电常数非常低。这些优良的特性使它被广泛用于工具涂层、 半导体制造及光学窗口等领域。
15
16
ຫໍສະໝຸດ Baidu
14
参考文献
梁继然，常明，潘鹏，热丝CVD法制备金刚石膜[J],天津理工大学学报， 2005,21(1):41-43; 任瑛，热丝化学气相沉积法制备纳米金刚石薄膜[D],大连：大连理工大 学，2009，20-22； Sarangi S K，Chattopadhyay A，Chattopadhyay A K．” Effect of pretreatment methods and chamber pressure on morphology，quality and adhesion of HFCVD diamond coating On cemented carbide inserts”[J] ,Applied Surface Science，2008，254/13：3721 许春，左敦稳等，光学玻璃上HFCVD法沉积金刚石膜的实验研究[J]，硅 酸盐通报，2010，29(6):1280-1283； 沈彬，孙方宏等，CVD金刚石薄膜涂层整体式刀具的制备与应用[J]，金 刚石与磨料磨具工程，2011,2（1）：1~5； J. Liu, D. S. Grierson,” Preventing Nanoscale Wear of Atomic Force Microscopy Tips Through the Use of Monolithic Ultrananocrystalline Diamond Probes”, Small, 2010, 10(6):1140–1149.
3
4
金刚石薄膜的合成方法
碳的平衡相图
5
各种化学气相沉积方法的比较
6
优点
纯度高
成本低
HFCVD
成核密 度高
装置简 单
微晶取 向一致
晶粒尺 寸均匀
7
反应过程
反应气体
CH4/H2
热、光子
等离子
H,CH3,CH2,C2H2
过饱和的 活性基团 表面 反应
石墨
金刚石
H
气化或溶解
8
实验装置
衬底预处理：
划痕
研磨
9
结构及性能分析
金刚石薄膜的SEM图
金刚石薄膜的AFM图
10
金刚石薄膜的拉曼光谱
金刚石薄膜的XRD图谱
11
沉积参数 碳源浓度 反应室压强/kPa
数值 2% 2.4
衬底温度/℃
沉积时间/h
750
1
不同工艺参数下样品的透射光谱 ( a) 碳源浓度( b) 反应室压强( c) 衬底温度( d) 生长时间
12
工件材料： 石墨 切削速度： 15500r/min 进给量： 2000mm/min
切削深度：
0.2mm
硬质合金铣刀在加工 过程中的后刀面磨损
金刚石薄膜涂层铣刀在 加工过程中的后刀面磨损
13
小结
采用AFM、激光拉曼光谱仪和XRD对金刚石膜表面形貌、 成分和结构进行分析，表明HFCVD法制备的薄膜金刚石成 分含量高，晶粒清晰均匀。 采用傅立叶红外光谱仪对金刚石膜红外透射率进行了测量,工 艺参数为碳源浓度2% ，反应室压强2.4 kPa，衬底温度750 ℃，生长时间1h时样品红外透射率良好，在波数为2800～ 3500 cm-1时透射率超过60%； 在硬质合金铣刀表面沉积一层金刚石薄膜能够有效地增强其 耐磨性。在加工石墨的试验中，经过88米的铣削后，金刚石 薄膜涂层刀具的后刀面磨损宽度仍不到30μm，仅为未涂层 硬质合金铣刀的一半左右。
胡衎 苏峰 王智文 胡巍巍
王仲涛 张彧 周傲 鞠江伟
1
内容
金刚石薄膜简介 HFCVD法制备金刚石薄膜 结构及性能分析 小结
2
简介
金刚石薄膜的许多优异性能是其它材料所无法比拟的， 它具有天然金刚石般的硬度和弹性模量，极高的热导率，非 常好的化学稳定性，以及优越的光学特性，在很宽的光波范 围内透明，并具有很高的折射率，另外它的禁带宽度高，介 电常数非常低。这些优良的特性使它被广泛用于工具涂层、 半导体制造及光学窗口等领域。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
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参考文献
梁继然，常明，潘鹏，热丝CVD法制备金刚石膜[J],天津理工大学学报， 2005,21(1):41-43; 任瑛，热丝化学气相沉积法制备纳米金刚石薄膜[D],大连：大连理工大 学，2009，20-22； Sarangi S K，Chattopadhyay A，Chattopadhyay A K．” Effect of pretreatment methods and chamber pressure on morphology，quality and adhesion of HFCVD diamond coating On cemented carbide inserts”[J] ,Applied Surface Science，2008，254/13：3721 许春，左敦稳等，光学玻璃上HFCVD法沉积金刚石膜的实验研究[J]，硅 酸盐通报，2010，29(6):1280-1283； 沈彬，孙方宏等，CVD金刚石薄膜涂层整体式刀具的制备与应用[J]，金 刚石与磨料磨具工程，2011,2（1）：1~5； J. Liu, D. S. Grierson,” Preventing Nanoscale Wear of Atomic Force Microscopy Tips Through the Use of Monolithic Ultrananocrystalline Diamond Probes”, Small, 2010, 10(6):1140–1149.
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金刚石薄膜的合成方法
碳的平衡相图
5
各种化学气相沉积方法的比较
6
优点
纯度高
成本低
HFCVD
成核密 度高
装置简 单
微晶取 向一致
晶粒尺 寸均匀
7
反应过程
反应气体
CH4/H2
热、光子
等离子
H,CH3,CH2,C2H2
过饱和的 活性基团 表面 反应
石墨
金刚石
H
气化或溶解
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实验装置
衬底预处理：
划痕
研磨
9
结构及性能分析
金刚石薄膜的SEM图
金刚石薄膜的AFM图
10
金刚石薄膜的拉曼光谱
金刚石薄膜的XRD图谱
11
沉积参数 碳源浓度 反应室压强/kPa
数值 2% 2.4
衬底温度/℃
沉积时间/h
750
1
不同工艺参数下样品的透射光谱 ( a) 碳源浓度( b) 反应室压强( c) 衬底温度( d) 生长时间
12
工件材料： 石墨 切削速度： 15500r/min 进给量： 2000mm/min
切削深度：
0.2mm
硬质合金铣刀在加工 过程中的后刀面磨损
金刚石薄膜涂层铣刀在 加工过程中的后刀面磨损
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小结
采用AFM、激光拉曼光谱仪和XRD对金刚石膜表面形貌、 成分和结构进行分析，表明HFCVD法制备的薄膜金刚石成 分含量高，晶粒清晰均匀。 采用傅立叶红外光谱仪对金刚石膜红外透射率进行了测量,工 艺参数为碳源浓度2% ，反应室压强2.4 kPa，衬底温度750 ℃，生长时间1h时样品红外透射率良好，在波数为2800～ 3500 cm-1时透射率超过60%； 在硬质合金铣刀表面沉积一层金刚石薄膜能够有效地增强其 耐磨性。在加工石墨的试验中，经过88米的铣削后，金刚石 薄膜涂层刀具的后刀面磨损宽度仍不到30μm，仅为未涂层 硬质合金铣刀的一半左右。