HFCVD研究方法

1、摘要 金刚石薄膜由于其独特的性能而成为目前国内研究热点。本次实验采用热丝化学气相沉积（HFCVD）来制备金刚石涂层，首先在氮化硅陶瓷基片上利用热丝气相沉积法来制备金刚石薄膜，首先对陶瓷基片进行超声波处理，提高陶瓷基体的附着力，然后在热丝气相沉积设备内由甲烷提供碳原子与氢气进行连续反应。通过改变甲烷和氢气浓度、沉积气压等工艺参数在氮化硅（Si3N4）陶瓷基片上形成金刚石晶核，并沿晶向不断生长，最终形成金刚石薄膜。关键词：HFCVD 热丝化学气相沉积 金刚石涂层 氮化硅abstractDiamond film because of its unique performance and become

2、 the research hot spot in China.This experiment USES the hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) to the preparation of diamond coating, first in the silicon nitride ceramic substrate heater vapor deposition method is used to the preparation of diamond film, first of all to ultrasonic processi

3、ng of ceramic substrate, improve the adhesion of ceramic matrix, and then in the heater vapor deposition equipment provided by the methane carbon atoms with hydrogen for continuous reaction.By changing the process parameters, such as methane and hydrogen concentration, deposition air pressure in the

4、 silicon nitride (Si3N4) formed on ceramic substrate diamond crystal nucleus, and along the crystal to grow continuously, the final formation of diamond film.Key words: HFCVD;Hot filament chemical vapor deposition;Diamond coatin;Silicon nitride引言 金刚石具有最高的硬度(10 000 HV)、最大的耐压强度(>110 GPa)以及最高的热导率(2

5、200 W/(m·K)和低的滑动摩擦因数(0.03)12，是切削加工金属和非金属材料，以及难加工材料的理想刀具材料4。化学气相沉积（CVD）金刚石由于具备天然金刚石的一系列物理化学性质，而 其成本远低于天然金刚石，已引起社会广泛关注和研究。因氮化硅 (Si3N4)的机械性能高 ，热膨胀 系数小 ，接近于金刚石；因此，应用氮化硅作为化学气相沉积(C V D )金刚石薄膜的陶瓷基底 的情况 日益增 加3。热丝 CVD 法具有装置简单、 操作方便、 成本经济等特点,因而热丝 CVD 法成为金刚石工业化生产的首选方法5.2.CVD金刚石涂层的制备及实验方法2.1实验原料表2.1主要试剂备注甲

6、烷CH4纯度99.999氢气H2纯度99.999钽丝直径：0.5mm基底材料氮化硅Si3N4陶瓷基片金刚石微粉纯度99.99，粒度0.5m丙酮纯度99.9无水乙醇纯度99.992.2实验制备及测试分析设备表2.2设备名称型号HFCVD金刚石沉积设备HF-650超声波处理设备SK 1200H-J台阶测试仪P-7划痕测试仪RST维氏硬度计452SVD扫描电子显微镜S-3700精密研磨抛光机UNIPOL2.3CVD金刚石薄膜的沉积原理 碳氢化合物 + 氢 碳原子（金刚石+石墨） + 氢气 石墨 碳氢化合物 + 碳氢化合物活性基 化合物活性基金刚石+石墨 2.4陶瓷基底材料的预处理陶瓷基底材料的抛光

7、本次陶瓷片采用的是单面抛光来进行研究，所用的设备是NIPOL型精密研磨抛光机，由于陶瓷表面的形貌对金刚石薄膜的影响较大，所以本次试验对抛光进行了大量的研究。第一次将三个陶瓷片用松香以图2.1方式粘在加力块上，然后经过研磨，发现陶瓷片总是有部分没磨到，总结原因为a:松香冷却过程中，陶瓷基片会进行漂移；b:陶瓷表面与加力块之间由于线速度不同，最终导致所受的重力不同，以至于靠近磨盘内侧的基片磨到了，而外侧的没磨到。所以改进方法为:1.松香冷却过程中用另一加力块进行施压2.以图二的粘接方式进行抛光，最终达到所需的研磨效果。 图2.1 图2.2清洁 抛光完成之后，将加力块加热取下基片。用酒精或丙酮配合试

8、管刷将基片表面的松香清洗干净。（丙酮有毒，在通风橱中操作） 陶瓷基底材料的超声波处理使用SK 1200H-J型超声波预处理的主要步骤如下：将Si3N4陶瓷基片装入入盛有适量丙酮的100ml的小烧杯中，使丙酮没过陶瓷基片，经超声波处理10min左右，去除Si3N4陶瓷基片表面的脏物等。用电子天平称量粒径为20m的金刚石粉250mg，装入盛有适量丙酮的100ml的小烧杯中，均匀搅拌成悬浮液。然后将的Si3N4陶瓷基片固定在特制的支架上，然后放入装有金刚石粉与丙酮的悬浊液的100ml小烧杯中，为避免Si3N4陶瓷基片在超声波处理中被磨损，保证Si3N4陶瓷基片不与烧杯底接触，超声波处理2h左右。依次

9、使用无水丙酮及无水酒精溶液，使用超声波对陶瓷基片各清洗10min左右，以清除基底表面的金刚石微粉。清洗完毕后，用吹风机吹干。装袋标注待用。 经预处理的陶瓷基片，会在陶瓷表面形成较小缝隙，会增强陶瓷基片的吸附能力，从而有利于金刚石薄膜的沉积。2.5热丝碳化热丝的选择表2.3钽丝碳化工艺参数钽丝直径（mm）钽丝根数（根）钽丝长度（mm）拉环长度(mm)甲烷浓度(CH4/H2)反应气压(kPa)气体流速(sccm)0.573254510:2004.00210碳化的流程.开机，按下电源按钮时保证打开循环水机组水泵及3个压缩机按钮（室外）和开启空气压缩机电源及按钮（室内）换灯丝，抽气充大气换灯丝抽真空,

10、抽低真空，抽高真空，充入反应气体升温并记录数据。待电流升到110A左右时开始保温电压和功率都逐渐上升一段时间（2h左右）后电压和功率趋于稳定并开始下降说明钽丝碳化已经完成注意事项:电流不宜过高选择灯丝时，保证粗细均匀，避免部分电流过大。灯丝摆放应平行且共面。保证灯丝的松弛程度相等，既保证弹簧的拉力相等。碳化是否成功，不能简单用灯丝未断裂，未变形表面现象来判断。2.6金刚石薄膜沉积表2.4金刚石薄膜沉积工艺参数 试样参数甲烷浓度(CH4/H2)沉积气压（kPa）气体流速（sccm）灯丝温度（）钽丝与基片距离（mm）沉积时间（h）普2#4：196（2）3.33200200085过程：沉积:重复上述

11、步骤，升基片台到预先测量的高度位置重新调节CH4、H2的流量比例（形核）保温1.5h左右再次调节CH4、H2的流量比例（生长）保温5h。 停止充气并抽真空关机：按停止按钮关闭设备升温系统按“电源停止”按钮关闭设备控制系统上的空开（ON至OFF）关闭循环水机组3个压缩机及水泵按钮（室外）关闭空气压缩机电源及按钮（室内）关闭两个总电源空开检测设备并保证其处于正常状态。注意事项：抽高真空，顺序是前级阀扩散泵开主阀，关闭时顺序为主阀扩散泵前级阀。洗气时，应先开维持泵，后开截止阀1,2。通气时，气体流量计先调大至300，然后等其降至10以内再关闭，注意调零。清洁炉门时，应特备注意放气阀附近。关闭炉门时，

12、应将结合处用酒精擦净，避免炉门出现缝隙。3实验结果 3.1实验产物由于时间限制，本次实验未能成功镀膜，曾多次碳化失败，经分析改进后，碳化成功，但沉积时钽丝断裂，所以未能完成实验。4实验结果讨论4.1失败原因钽丝碳化失败原因分析.炉腔内清洁未达标，充放气阀门口附近存在水蒸气，漂浮物等。灯丝表面不干净，操作过程钽丝沾有汗渍或其他污染物。装丝时拉簧的拉钩未朝同一个反向，导致受力不同。灯丝致密度不均匀，容易出现应力集中。电流升高过快，超过以往电流变化值。充气时，阀门放气过快，冲击到灯丝，导致灯丝碳化不均匀。由于碳化不均匀，会导致存在温差，最终应膨胀不均导致断裂。丝架碳化后有沉积碳未处理干净。沉积失败原

13、因分析碳化后灯丝变脆，同时升温较快，都会导致灯丝断裂。一根灯丝断裂之后，加在另外的灯丝上，导致剩余灯丝电流过大，最终灯丝断裂。碳化后，各部分电阻会出现差异，从而导致电流不均。甲烷，氢气充入时，若充气过大，会冲击灯丝，使灯丝断裂。甲烷氢气充入时，混合不均。当灯丝整体下垂时，用红外测温仪测得的灯丝电流可能会略有变化。4.2改进方法1.全过程采用无尘操作。2.解决钽丝拉力均等的问题，确保拉力在合适的范围内。3.气压和电流控制稍低一点3.5kPa，110A左右。4.检测设备的气密性。结论本次实验所探究的是各类工艺参数对沉积的影响，其中最重要的是热丝对沉积的影响，而影响热丝的因素有很多，如炉内的清洁程度

14、，热丝电流，充气速度，排布方式等。必须控制好这些参数才能保证灯丝不断，同时灯丝的不断不一定代表碳化的成功 体会与建议通过这两周的实验，对科研实验的过程有了系统的了解，对科研论文的写法有了初步的了解。在整个实验过程中，让我影响最深的是细节对整个实验成功的重要性。很多时候一个不经意的失误就会造成实验的失败，而有时候这些细节就是最基本的要求，即低级错误，譬如实验过程中没注意通风，用自来水来配制溶液，称量操作过程的不规范等等，会造成原料的浪费，误差的过大，甚至实验的失败。其次就是团队的重要性，很多时候团队的其他成员会帮助你发现问题，改进问题，对实验的成功有莫大的帮助。希望下次争取做到更好。参考文献1S

15、UN F H，ZHANG Z M，CHEN M Improvement of adhesive strength and surface roughness of diamond films on Co-cemented tungsten car-bide toolsJ Diamond and Related Materials，2003 (12):711 7182孙方宏，张志明，沈荷生，等. 纳米金刚石薄膜的制备与应用J 机械工程学报，2007，43(3):118 122SUN F H，ZHANG Z M，SHEN H S，et al Fabrication and applica-tion of nanocrystalline diamond filmsJ Chinese Journal of Mechani-cal Engineering，