影响金刚石薄膜生长因素的研究

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1、v-vhn01蓦dM8t1《三)7影响金刚石薄膜生长因素的研究一菇--I-、』糟月张猛周志强李胜林彭姜华军邵牟舟T‘／／‘南开大学’．7I^／0l毛o5InvestigationofInfluenceFactorsonDiamondFilmGrowth’ShaoShuminLuXiangyingYuJianDingLeiiXiGuangkangZhangMengZhouZhiqiangLiShenglinPengHuajunShaoMouzhou(DeptofElectronSci~we，NankaiUniversity)AbstractDiamondcoatingoncarb

2、oloymetalwaspreparedbyHFCVD．Itistoundthatmany{act0rssuchaspretreatmentofsubstrate，theconcentrationofacetoneandthetemperatureoIhotfila—meritandsubstratestronglyinfluencedthegrowthprocessandpropertiesoIdlamondfilmFinallythebestgrowthconditionsofdiamondcoatingoncarboloymetalwa5found．摘要本文用HFCVD法

3、对在硬质台金村底上生长金刚石薄膜的诸多影响因素，如材底的关金刚石不仅是已知的最硬材料，同时它还具有特别优异的光学、热学和电子学方面的性能。如此之多的优异性能集于一身，使金刚石在机械、声学、光学及电子工业中有着广泛的应用前景。但天然金刚石储量少且价格昂贵，由于金刚石薄膜具有与金刚石相似的特性，因此世界各国科学家以极大的兴趣与热情投入了金刚石的制备与研究工作，并不断开发出新的成膜方法和应用领域，使之成为当今世界高科技迅速发展的一个重要方面。对金刚石的研究已有两个世纪的历史了，直到80年代初，低压化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜技术才取得了突破性进展。近lO年来，金刚石作为一种功能薄

4、膜材料已开始在一些领域应用。虽然人们发现了在除金刚石籽晶之外的其它衬底(如金属Cu、Mo、W、Si等)同样可以生长金刚石薄膜。但是，对金刚石在非金刚石衬底表面的成核及生长机制并不十分清楚，这不仅影响到高质量金刚石薄膜的制备，同时还影响到金剐石薄膜在更广泛的领域内应用。为了实现在非金刚石衬底上生长高质量的金刚石薄膜，我们对在硬质合金上生长金刚石薄膜的影响因素进行了系统的实验研究，找到了金刚石薄膜的最佳生长条件．同时对金刚石薄膜的成核及生长机制进行了初步探讨收稿日期1998—01—23邮编300071真空第4期二、实验及结果分析1．衬底预处理(1)衬底的成分我们实验中使用的衬底为碳

5、化钨硬质合金(wc一94，co一6)材料的主要成份为WC．以钴作为牯结剂，该材料经x光衍射测试，它不含有别种碳化物(如TiC、TaC和MoC等)。(2)衬底的预处理为在非金刚石衬底上生长金刚石薄膜及提高成核密度，对衬底预处理采用下面两种方法，一是用化学方法对衬底进行腐蚀。一些资料研究表明，钻对金刚石薄膜的生长不利，在含钴和不含钴的碳化钨衬底上分别沉积金刚石薄膜，对它们的Auger谱加以研究发现，在金刚石薄膜与含钴的衬底之间有一厚度小于120埃的无定形碳层．而在金刚石薄膜与不含钻的衬底之问却没有这层碳膜，这表明钴对非金剐石相碳的生长有促进作用，而不利于金刚石薄膜的生长lJ[Ⅲ。为

6、了除去基片表面的钴，我们将衬底浸在一定浓度的HCI或HNO溶液中，根据下列化学反应式进行反应，直至最终达副平衡。2Hc1+Co-CoCI2+H2十或8HNO3+3Co=3Co(NO3)2+2NO十+4H2O经HCI或HNO：处理后的衬底，在一定厚度的衬底表面内的含钴量降到1以下。表l为村底经HC!或HNO在同样时间腐蚀后作的x光荧光分析的结果(与用x光衍射测试结果相同)，这个分析结果说明用HCI或HNO：对碳化钨硬质台金的腐蚀作用是一样的。表1TableIHNoHCl绝对强度C03．38竹O．230lBG0．14340lS20CKCPS)WZ92l7Z27．687l28．572

7、2相对强度Co324430．098l0．1l61C／W0．11l040．00354BG：Co的背景强度(车J匠)对衬底进行预处理的第二个步骤是用金刚石研磨膏对经HCI或HNO腐蚀过的衬底表面避行研磨。用金刚石膏研磨衬底的主要目的是为丁提高衬底表面的成核密度。图1为经HC!腐蚀后．研磨前与研磨后的SEM照片。片中明显看出研磨后衬底表面的金刚石籽晶。(3)衬底预处理对成核密度的影响CVD法生长金刚石薄膜是在石墨的稳定相，金刚石的亚稳相中进行的]。由于金刚石晶粒与非金刚石衬底在界面存在表面自由能及