《武汉工程大学学报》 2008年01期
80-82
出版日期：2008-01-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
热丝CVD法制备大面积金刚石厚膜
0引言金刚石厚膜具有最高的硬度、最高的热导率、低摩擦系数、极佳的化学惰性和从远红外区到深紫外区完全透明等优点，使得其在金刚石厚膜焊接刀具、大功率激光器、半导体热沉和X射线窗口等领域有着广泛的应用前景［1,2］.1977年Deryagin等人首先在非金刚石的基片上用化学输送反应法沉积出金刚石薄膜［3］.1982年，Mastumoto等人首次用热丝化学气相法成功的生长出质量较好的金刚石膜［4］.低压合成金刚石的方法有很多，如热丝CVD法、微波等离子CVD法、直流等离子辅助CVD法等［5］.与后两种方法相比，热丝化学气相沉积法制备金刚石厚膜，设备简单、能稳定连续的工作、大面积制备金刚石膜，是工业化应用的首选，因而被广泛使用.本实验采用氢气和丙酮为反应气体，在热丝化学气相沉积装置中，制备了直径为90 mm，平均厚度达到1.2 mm的金刚石厚膜.1实验方法本实验采用热丝化学气相沉积装置，装置示意图见图1，热丝为Φ0.35 mm的钽丝，钽丝温度采用光学高温计测量，基片温度由热电偶测量并经过校正［6］.反应腔内装有热丝变形自动补偿机构，最大补偿范围0~5 mm，以防止钽丝在高温下变形，钽丝均匀的排布于矩形架上，通过自动补偿装置使钽丝整体均匀受力，热丝加热有效面积为100 mm×100 mm.图1热丝CVD装置示意图
Fig.1Schematic diagram of HFCVD apparatus 实验所用衬底基片是钨片，直径90 mm，厚度为3 mm，反应前, 先用直径0.5 μm 的金刚石微粉研磨约1 h，然后放入丙酮溶液中超声波处理10 min.用热丝化学气相沉积装置在钨基体上生长金刚石厚膜，工作物质为氢气与丙酮，详细实验参数如表1所示.表1生长金刚石厚膜的实验参数Table 1Deposition parameters employed to deposit diamond thick films coatings on tungsten substrates by HFCVD
热丝电压20 V沉积气压3.5 kPa热丝电流75 A热丝与表面距离8 mm热丝偏流0 A折合碳源浓度1.0%H2流量220 mL/min热丝温度2100 ℃生长时间300 h基片温度800 ℃为了更好的沉积金刚石膜，减少其中的杂质含量，在沉积金刚石膜前，对灯丝进行了碳化［7］,在沉积过程中，保持工艺条件不变.沉积300 h后取出金刚石厚膜，用扫描电子显微镜(SEM) 观察其表面和断面形貌，X 射线衍射图(XRD) 考察金刚石厚膜的结构，用拉曼光谱鉴定金刚石厚膜的纯度.2实验结果与讨论用热丝CVD法在直径为90 mm的钨片上生长金刚石厚膜的样品的实物照片见图2.从照片上可看出整个大膜表面灰白均匀，平整光滑致密.图2直径为90 mm的CVD金刚石厚膜照片
Fig.2The photo of diamond thick film of 90 mm diameter第1期熊军，等：热丝CVD法制备大面积金刚石厚膜
武汉工程大学学报第30卷
图3是所合成金刚石厚膜的X射线衍射图谱，从对XRD的标定结果可以知道，在衍射曲线的2θ=44°和2θ=76°附近，出现了金刚石相的2个衍射峰，它们分别对应的是金刚石的（111）和（110）晶面.并且通过X衍射分析还可以看出，金刚石(111)峰非常尖锐，表明金刚石在(111)方向具有择优取向生长［8］.图4为CVD金刚石厚膜表面SEM照片，从片可看出所生长的金刚石，其晶粒清晰，均呈三角形，这是由于金刚石沿(110) 面生长慢，因而最终显露（111）面.图3CVD金刚石厚膜的XRD
Fig.3XRD spectrum of diamond thick film图4金刚石厚膜的表面SEM图
Fig.4SEM image for the plan view of coated with diamond thick film图5为CVD金刚石膜的生长断面图，从图中可以看出，CVD金刚石膜在生长过程中呈柱状生长，表明生长速率比较快，金刚石膜平均厚度达到1.2 mm，沉积时间为300 h，沉积速度为4 μm/h.图6为CVD金刚石厚膜的Raman光谱图，图中在1 332 cm-1处有一尖锐且强度很大的金刚石特征峰，在1 550 cm-1处附近存在非晶碳特征峰，但是强度不是很大，由于Raman光谱对非金刚石相碳灵敏度是金刚石的50倍［9］，因而表明HFCVD金刚石厚膜的质量很好且纯度较高.图5金刚石厚膜断面的SEM照片
Fig.5Crosssection SEM image of diamond thick film图6金刚石厚膜的Raman谱
Fig.6Raman spectrum of diamond thick film3结语采用热丝化学气相沉积（HFCVD）设备，成功地合成了直径为90 mm的金刚石厚膜，合成的金刚石厚膜在(111)方向具有择优取向生长，厚膜的生长过程稳定，沉积速度为4 μm/h，最终得到的厚膜平均厚度达到1.2 mm.金刚石厚膜的Raman光谱图结果，表明热丝法合成的金刚石厚膜质量很好且纯度较高.