浅谈CVD金刚石薄膜技术

原料气体 碳氢化合物
画 — 晒踢
圈 石 状峨被刻蚀气化过程
基于上述原理基本过程 ,有三个 环节是 十分重 要的。
选择适合 的反应气体系统和碳源浓度 ,以 有利于产生 、巩 、 等活性粒子 ,有助于促使金 刚石 的生成和石墨状碳 的刻蚀 。
选择适合 的激 活方 式和强 度 ,以产生较高
的过饱和浓度的活性粒子 。
作者简介 甄 植 , 年 月毕业 于江汉石油大学 机械电子工程 ,现就职于江钻股份公司 ,主要从事车间现场 的工艺管理 、工艺改普和设备管理 。
第期
甄 粗 浅谈 金 刚石 薄膜技 术
纯金刚石膜 。 基体温度影响到金刚石膜的生长速度 。低
温时膜的生长速度随着基体温度的升高而增加 ,达 到一定温度后 ,膜的生长速度又随着基体的温度升 高而下降 ,即在某一温度范围内 ,膜的生长速度有一 个极大值 。不同的反应气体系统 ,均有最适合的基 体温度 。
金刚石 、硅 、钥 、钨 、炭化硅等材料均可作为 沉积金刚石的基体 ,其表面处理方法只影响形核的 孕育时间和形核密度 ,不影响膜的生长速率 。不过 未经处理的基体表面才良准生成金刚石膜 。
金 刚石薄膜 的制备方法
金 刚石薄膜 的制备有物理气相沉积法
和
化学气相沉积法
两类 。
物理气相沉积法有单离子束和双离子束两种溅
一 和大量 的氢原子对形 成金 刚石薄膜有着极其
重要的作用 。
合成金刚石另一个可能机理是合成过程中合成
石墨 ,在氢原子作用下转化为金刚石 。在等离子体 中大量的高能活性粒子作用下 ,使石墨中原来处于
一个平面上的六边行格子发生扭 曲 ,形成具有金 刚 石结构再与生成的甲基 氏一 反应 ,逐步脱除氢 ,
售额达 万美元 。厚膜金刚石切削刀头和金刚
石镀膜刀具是市场销售 的金 刚石膜产 品 ,已成功 的 用于切削大多数非铁合金材料和复合材料 ,包括铝 、 硅 、铝合金 、黄铜 、青铜 、陶瓷 、碳 、玻璃纤维增强结
构 、石墨和酚醛材料 。在宇航和汽车工业 中大量 的
使用上述材料 。例如钨钢刀上涂覆 阿 厚的金刚
化学气相沉积法的特点是绕度性好 、涂层与基
体结合强度好 ,且能解决一些复杂的工件涂层问题 , 因此其应用范围很广 。
按活化方法 , 法可分为三类
喷射活化法 — 电弧喷枪 、射频喷枪 、气体
火焰法等 。
等离子体活化法一一直流辉光放 电 、微波 、
射频 、微波 磁封闭等法 。
混 合 活 化 法 — 热 灯 丝 叫微 波 、热 丝 、热
丝一直流 、热丝一负偏压 、激光诱导等法 。
按照等 离子 体 的产 生原 理 , 法有 热丝
、直流等离子体 等离子 四种方法 。
、射频等离子
和微 波
金刚石薄膜生长机理 的探讨
碳化氢气体分解碳原子和氮原子 ,碳原子 在基体上堆积过程 。
金刚石成核过程 。
形成的金刚石核张大成金 刚石微 晶 ,继续 在基体上张大成金刚石薄膜 。
高效生长 ,氢是不可缺少 的 。
近年来 国内外有关学者就金刚石薄膜生长机理 作 了许多研究 。下面对薄膜生长机理作些介绍 。
低压气相合成金刚石处于亚稳态条件下生长 , 因此在沉积金 刚石薄膜过程 中 ,一般分为三个 阶段
金刚石薄膜 的性能及应用前景
低压气相合成 的金刚石薄膜 由于具有与天然金 刚石颗粒完全相 同的结构 ,因而也就具有与颗粒状
最后将生成石墨转化为金刚石 。
对成膜初始阶段 的看法 基体上生成金刚石初
始阶段到底又是怎么一回事 始终是研究金刚石薄
膜中要搞清楚的问题 ,因为这关系到形成膜的机理 ,
并与生成膜 的质量有密切关 系 。研究结果表 明 膜
的初始阶段很可能有薄层过度层 的生成 ,碳在基体
上沉积 ,先与基体生成一层过度层 ,然后才在其上面 张出金刚石薄膜 。
江汉石 油科技
卷
天然金 刚石相 同或相接近 的物理化学性能
硬 度 最 高 、耐 磨 性 最 好 ,一 般 可 达
。阅 ,它是 目前所知最硬物质 。
摩擦系数小 ,与钢接触时的摩擦系数只有
加
,。
熔点高 ,约 闷侧刃 ℃。 化学稳定性高 ,耐绝大部分酸碱和溶剂 的 腐蚀 。
在所有物质 中 ,热导率最高 , ℃时热导率 为 刃扩 。
我们相信随着金刚石薄膜技术 的不断发展和完 善 ,它在钻头领域 的应用前景将非常广 阔 。
编辑 胡素梅
石薄膜被看作是州种有前景的新金刚石材料 。据预
测 ,在未来几年内 ,金刚石薄膜工具相当部分产品将
逐渐代替单晶金刚石及 的新军 。
工具产品 ,成为工具界
金刚石薄膜具 有特异机械 、热 、光 、光 电 、半导
体 、声学等性能 。因而已获得了实际应用 ,并将很快
的在更广泛的领域中得到应用 。金刚石膜的应用很
第 卷 第期
年月
卫
江汉石 油科技
, 艺 找, 卫
卫
浅谈 金刚石薄膜技术
甄桓
江汉石油钻头股份有限公司
摘 要 简单介绍了 金刚石薄膜技术发展 、金刚石薄膜的制备有物理气相沉积法
和化学气相沉积法
两类 。通过国内外有关学者就金刚石薄膜生长机理作的许 多研 究 ,对薄
膜生长机理作些介绍 。同时也指出它的局限性 。由于 金刚石薄膜具有各种优 良的特性 ,使得
红外 的大部分 区域
一卿 。
优 良的传声性能 ,金 刚石 中声波速度为
。
明。
弹性模量极高 ,达 光的折射率可变 ,从
,, 。 一 ,且波段透
极好的抗热冲击 ,抗幅度达 。 当前切削工具 ,尤其是金属加工的刀具是薄膜 最大市场 ,日美两 国早 已开发成功各类金刚石薄膜 车刀 铣刀 、钻头 。美 国在短期 内对这类车刀的销
选择合适 的基体温度和基片预处理方法 , 以加速表面反应速度使石墨状塌刻蚀 。
从大量 的低压合成金 刚石实验研究 中得到一些
基本规律 ,它为金刚石合成理论 的发展和新 的合成 方法的建立提供了依据 。这些规律有
低压合成金刚石所用 的混合气体 中必须含
有大量 和少量 的碳氢化合物 。许多碳氢化合物
可作为碳源气体 ,如链烃 、芳香烃 、醇类 和酮类等 。
膜。
在金刚石膜合成条件下 ,活化气体主要成 分是 、 、 凡 。
氧和一氧化碳等含氧气体加人火活化 的混
合气体中可降低气体 中 的浓度 ,并促进氢分子
的分解 ,有利于氢原子的生成 ,提高对石墨化碳的刻 蚀速度 ,从而提高金刚石膜的生长速度 ,限制了石墨 和无定型碳的共沉积 ,改善了金刚石膜的质量 ,得到
氧的作用问题 气源 中不断加人氧 ,在较高温度
下能加快金刚石晶粒生长速度 ,并且在较低温度下
具有对石墨化碳的刻蚀作用 ,从而大大加快对非金 刚石相 的清除 ,改善金刚石膜的质量 ,所 以氧的加人
上有益 的 。
从上述机理分析 中可看 出
为 了达到相 当高 的 气体激活是极为重要 的 。
金刚石生长速率 ,
混合气体 中的氢含量通 常大于
,气体 中氢含量
的增加 ,不但能提高金刚石的沉积速度 ,而且还有益
于消除石墨化碳的共沉积 ,降低金刚石膜 中的氢含 量。
为达到相当高的 法金刚石生长速率
激活是必不可少的 。激活方法主要影响金刚石的生
长速度 ,对膜的质量影响不大 。使用热丝 、激光热活
法和微波 、射频等离子活化都能得到优质的金刚石
由于金刚石膜有极高的硬度和杨氏模量 ,极好 的耐磨性能和非常低 的摩擦系数 ,因此在 固体润滑 中有重要作用 。目前 国内已开发 了采用新 型 金刚石材料作 为多种轴承制造 中关键部件 的轴承支 撑器磨擦固定材料 。可 以想见 ,如果金刚石膜应用 于牙轮壳体强化 、牙轮 、牙掌轴承强化 、牙掌流道强 化等将具有 良好 的前景 ,但 目前在钢质基体上生长 金刚石薄膜 ,其结合强度很低 ,需要进一步的深人研 究。
由于甲烷气体在
℃以下分解速度极慢 ,而
气相沉积温度又要求控制在 加 ℃以下 ,所 以必须
活化提高甲烷在 加 ℃下的分解速度 ,得到实现金 刚石沉积所需的甲基 一 。金刚石中碳原子的外
层电子处于 尹 杂化状 态 ,而 甲基 一具有 尹 杂化结构 ,从而它和相当于一个金刚石的活性种子 , 它分解便可以金刚石形成析 出 ,在金刚石析 出的同 时 ,石墨也可能会沉积 出 。因此要刻蚀石墨状碳必 须依靠氢原子 。所以讲具有金刚石薄膜结构的甲基
热膨胀系数低 , ℃为
书。
优 良的绝缘性 ,金刚石薄膜的电阻率除
型半导体金刚石外 ,都大于 一 。
介 电常数为 。
具有优 良的高掺杂性 ,用离子注人硼 、磷或 铿能形成Leabharlann Baidu型或 型半导体金刚石 。金 刚石半导
体 的禁 带宽度 为
。
具有优异的透光性能 ,除一部分红外波段
一 阿 外 ,能透过从紫外直至亚毫米波段远
石薄膜对 铝 合金 可连 续 切 割 硬工具 的 倍 。
面 ,切削性能为超
金刚石薄膜不含任何金属或非金属添加剂 ,机
械性能兼具 单 晶金 刚石 和 聚 晶金 刚石
的优
点 ,在一定程度上又克服了他们 的不足 。大量实践 表明 ,金刚石薄膜工具产品的使用性能在许多方面
超过聚晶金刚石的同类产品 ,而且其高光洁度接近 单晶金刚石 、抗冲击性超过单晶金刚石 。因此 ,金刚
它在各个领城得到广泛的应用 。
关扭词
金刚石薄膜 气相沉积法 生长机理 应用前景
低压气相合成法制备金刚石薄膜 的 基本原理
低 压 气 相 合 成 法制 备 金 刚石是 石 墨处 于稳 定 相 、金刚石为亚稳定相的特殊热力学条件下生长的 , 其基本原理是在热 、等离子体或光的激活下 ,碳氢化 合物同氢离解产生过饱和 、氏 、 等活性粒子 , 这些活性粒子不断流向基体 ,通过表面反应生产金 刚石和石墨状碳 ,由于活性氢原子和氢原子 的反应 性刻蚀作用 ,在一定基体温度下 ,石墨状碳被刻蚀气 化 ,而金刚石保存下来 。这一过程可用图 表示 。
射方 法 。该 法 离 子 源 发 生 的氢 离子 经 聚焦 后 以
的能量轰击石墨靶 ,被溅射 出的碳粒子与氢粒 子一起冲击基体 ,在基体上连续产生透明金刚石薄 膜 。一般得到的薄膜都是金刚石与无定行碳的混合
膜 。这个方法的优点是沉积温度低 ,但涂层不均匀 , 涂层与基体结合强度不好 ,设备结构复杂 ,沉积速度 慢 ,因而限制了其应用 。
广 ,包括宇航 、电子学 、光学 、声学 、工具 、医疗等领 域。
金 刚石薄膜在牙 轮钻 头上 的 局限性及应用前景
金刚石薄膜具有与天然金 刚石颗粒完全 相同的结构 ,因此它具有最高的硬度和最好 的耐磨 性 。将其应用在牙轮钻头最易磨损的硬质合金齿部 位 ,可以充分发挥其特性 。目前在 这种基体上 沉积金刚石薄膜 的工艺 已处理 的很好 了 ,但对于相 对复杂的齿冠部位 ,镀层 的均匀性有待于解决 。根 据对美国专利的检索表 明 ,美 国已将此技术应用于 牙轮钻头上 。当然这仅仅是从专利的角度了解到的 金刚石薄膜在牙轮钻头上的应用 ,至于其真正的使 用效果就不得而知 了 。