200915010121化学气相沉积(CVD ) 金刚石薄膜

化学气相沉积(CVD ) 金刚石薄
膜的
主要制备方法及应用
引言
•金刚石又名钻石, 是碳的同素异构体, 属于立方晶系, 具有面心立方结构, 典型的原子晶体。

金
刚石具有很多无与伦比的优异性能, 机械特性、
热学特性、透光性、纵波声速、半导体特性及化
学惰性等, 在自然界所有的材料中均是首屈一指的。

例如: 金刚石硬度是自然界中硬度最高的,
热导率是已知材料中最高的(是铜的热导率5 倍) , 高绝缘性和从红外到紫外极宽的透光性⋯⋯。

由于
自然界中金刚石储量极少,
并且开采也非常困难, 因此价格昂贵, 而且无论天然金刚石还是高温高压下合成的人造金刚石都是离散的颗粒状, 应用范围受到了很大限制。

近几年, 发达国家对化学气相沉积(简称CVD) 金刚石膜制备及应用开发研究进行了大量投资。

由于CVD 金刚石制造成本低, 可以大面积化、曲面化, 而且其厚度可按需要从不足1Lm 直至数毫米, 而且制备出的CVD 金刚石薄膜物理性和天然金刚石基本相同或接近, 化学性质完全相同, 使金刚石的应用领域大大扩大。

1制备方法1. 1热灯丝CVD 法
(HFCVD) (如图1)
•热灯丝CVD 法是在基片表面的附近用5 0. 15mm
左右螺旋钨丝通电加热、钨丝温度控制2000～2200℃。

真空室压力控制40 乇左右, 基片温度控制在700～1000℃左右, 基片与钨丝距离l<10mm , 然后通入CH4 和H2 混合气体,使它们激发离解,
从而在基片表面生成金刚石。

此法的改良形式是EACVD 法,实际上就是在热丝CVD 基础上给基片加一个150V 左右偏压, 使薄膜在沉积过程中同时受到电子的轰击, 可使薄膜中沉积速率得到提高。

此方法简单易行,缺点是沉积速度较慢v <10Lmöh , 不均匀, 工艺稳定性差, 易污染。

1. 2微波等离子体CVD 法(M PCVD)
(如图2)
•M PCVD 是将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进入反应器, 并通入CH4 和H2 混合气, 产生CH4—H2 等离子体, 从而产生固体碳元素。

•CH4 (气) 加热 C (固体) + 2H2 (气)
•沉积到基片上并生成人造金刚石薄膜。

M PCVD 法能实现金刚石膜的低温沉积, 并且生成膜的结晶性、晶体质量均很好。

由于微波放电是无极放电, 因此, 不存在气体污染和电极腐蚀问题, 设备投资小, 工作稳定, 此方法缺点是金刚石膜的生长速率慢, 生膜面积小。

2CVD 金刚石膜应用
•CVD 金刚石薄膜有着广泛的用途, 应用价值非常高。

•CVD 金刚石膜具有高硬度和耐磨性, 可制
备高性能工具, 高强度耐磨材料。

例如将CVD 金刚石薄膜, 经过激光切割后焊到刀具上制成焊接型金刚石工具, 也可将钻头、锯片、车刀刀头⋯8943 .工具表面镀一层CVD 金刚石薄膜, 可提高工具寿命十倍到几十倍。

CVD 金刚
•石膜应用在汽车发动机缸套上, 可以大大提高缸套使用寿命。

在医学上使用有一层CVD 金刚石薄膜的钛合金人工骨可代替不锈钢人工骨, 其重量轻, 寿命长, 与人体肌肉亲合力好。

CVD 金刚石薄膜也可应用于录放音磁头上,可使磁头寿命延长3～5 倍。

用CVD 金刚石厚膜制作的拉丝膜拉出的丝, 可比PCD 制作的拉丝膜拉的丝质量好, 拉丝膜寿命长。

•CVD 金刚石膜具有高热导率、高绝缘电阻、极低热膨胀系数等特性, 可作热沉处理。

(室温下金刚石导热率为硅的15 倍、铜的5 倍。

例如制作微波管、激光二极管、列阵器件、大功率集成电路等高功率密度电路元件散
热片,从而提高该器件的功率寿命。