HFCVD研究方法

1、重慶科技學院本科生研究報告摘要 金剛石薄膜由于其獨特的性能而成為目前國內研究熱點。本次實驗采用熱絲化學氣相沉積（HFCVD）來制備金剛石涂層，首先在氮化硅陶瓷基片上利用熱絲氣相沉積法來制備金剛石薄膜，首先對陶瓷基片進行超聲波處理，提高陶瓷基體的附著力，然后在熱絲氣相沉積設備內由甲烷提供碳原子與氫氣進行連續(xù)反應。通過改變甲烷和氫氣濃度、沉積氣壓等工藝參數在氮化硅（Si3N4）陶瓷基片上形成金剛石晶核，并沿晶向不斷生長，最終形成金剛石薄膜。關鍵詞：HFCVD 熱絲化學氣相沉積 金剛石涂層 氮化硅abstractDiamond film because of its unique performan

2、ce and become 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 ultras

3、onic processing 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 pr

4、essure in the 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 金剛石具有最高的硬度(10 000 HV)、最大的耐壓強度(>110 GP

5、a)以及最高的熱導率(2 200 W/(m·K)和低的滑動摩擦因數(0.03)12，是切削加工金屬和非金屬材料，以及難加工材料的理想刀具材料4?；瘜W氣相沉積（CVD）金剛石由于具備天然金剛石的一系列物理化學性質，而 其成本遠低于天然金剛石，已引起社會廣泛關注和研究。因氮化硅 (Si3N4)的機械性能高 ，熱膨脹 系數小 ，接近于金剛石；因此，應用氮化硅作為化學氣相沉積(C V D )金剛石薄膜的陶瓷基底 的情況 日益增 加3。熱絲 CVD 法具有裝置簡單、 操作方便、 成本經濟等特點,因而熱絲 CVD 法成為金剛石工業(yè)化生產的首選方法5.102.CVD金剛石涂層的制備及實驗方法2.1

6、實驗原料表2.1主要試劑備注甲烷CH4純度99.999氫氣H2純度99.999鉭絲直徑：0.5mm基底材料氮化硅Si3N4陶瓷基片金剛石微粉純度99.99，粒度0.5m丙酮純度99.9無水乙醇純度99.992.2實驗制備及測試分析設備表2.2設備名稱型號HFCVD金剛石沉積設備HF-650超聲波處理設備SK 1200H-J臺階測試儀P-7劃痕測試儀RST維氏硬度計452SVD掃描電子顯微鏡S-3700精密研磨拋光機UNIPOL2.3CVD金剛石薄膜的沉積原理 碳氫化合物 + 氫 碳原子（金剛石+石墨） + 氫氣 石墨 碳氫化合物 + 碳氫化合物活性基 化合物活性基金剛石+石墨 2.4陶瓷基底材

7、料的預處理2.4.1陶瓷基底材料的拋光 本次陶瓷片采用的是單面拋光來進行研究，所用的設備是NIPOL型精密研磨拋光機，由于陶瓷表面的形貌對金剛石薄膜的影響較大，所以本次試驗對拋光進行了大量的研究。第一次將三個陶瓷片用松香以圖2.1方式粘在加力塊上，然后經過研磨，發(fā)現陶瓷片總是有部分沒磨到，總結原因為a:松香冷卻過程中，陶瓷基片會進行漂移；b:陶瓷表面與加力塊之間由于線速度不同，最終導致所受的重力不同，以至于靠近磨盤內側的基片磨到了，而外側的沒磨到。所以改進方法為:1.松香冷卻過程中用另一加力塊進行施壓2.以圖二的粘接方式進行拋光，最終達到所需的研磨效果。 圖2.1 圖2.22.4.2清潔 拋光

8、完成之后，將加力塊加熱取下基片。用酒精或丙酮配合試管刷將基片表面的松香清洗干凈。（丙酮有毒，在通風櫥中操作） 2.4.3陶瓷基底材料的超聲波處理使用SK 1200H-J型超聲波預處理的主要步驟如下：將Si3N4陶瓷基片裝入入盛有適量丙酮的100ml的小燒杯中，使丙酮沒過陶瓷基片，經超聲波處理10min左右，去除Si3N4陶瓷基片表面的臟物等。用電子天平稱量粒徑為20m的金剛石粉250mg，裝入盛有適量丙酮的100ml的小燒杯中，均勻攪拌成懸浮液。然后將的Si3N4陶瓷基片固定在特制的支架上，然后放入裝有金剛石粉與丙酮的懸濁液的100ml小燒杯中，為避免Si3N4陶瓷基片在超聲波處理中被磨損，保

9、證Si3N4陶瓷基片不與燒杯底接觸，超聲波處理2h左右。依次使用無水丙酮及無水酒精溶液，使用超聲波對陶瓷基片各清洗10min左右，以清除基底表面的金剛石微粉。清洗完畢后，用吹風機吹干。裝袋標注待用。 經預處理的陶瓷基片，會在陶瓷表面形成較小縫隙，會增強陶瓷基片的吸附能力，從而有利于金剛石薄膜的沉積。2.5熱絲碳化2.5.1熱絲的選擇表2.3鉭絲碳化工藝參數鉭絲直徑（mm）鉭絲根數（根）鉭絲長度（mm）拉環(huán)長度(mm)甲烷濃度(CH4/H2)反應氣壓(kPa)氣體流速(sccm)0.573254510:2004.002102.5.2碳化的流程.開機，按下電源按鈕時保證打開循環(huán)水機組水泵及3個壓縮

10、機按鈕（室外）和開啟空氣壓縮機電源及按鈕（室內）換燈絲，抽氣充大氣換燈絲抽真空,抽低真空，抽高真空，充入反應氣體升溫并記錄數據。待電流升到110A左右時開始保溫電壓和功率都逐漸上升一段時間（2h左右）后電壓和功率趨于穩(wěn)定并開始下降說明鉭絲碳化已經完成 2.5.3注意事項:電流不宜過高選擇燈絲時，保證粗細均勻，避免部分電流過大。燈絲擺放應平行且共面。保證燈絲的松弛程度相等，既保證彈簧的拉力相等。碳化是否成功，不能簡單用燈絲未斷裂，未變形表面現象來判斷。2.6金剛石薄膜沉積表2.4金剛石薄膜沉積工藝參數 試樣參數甲烷濃度(CH4/H2)沉積氣壓（kPa）氣體流速（sccm）燈絲溫度（）鉭絲與基片距

11、離（mm）沉積時間（h）普2#4：196（2）3.332002000852.6.1過程：沉積:重復上述步驟，升基片臺到預先測量的高度位置重新調節(jié)CH4、H2的流量比例（形核）保溫1.5h左右再次調節(jié)CH4、H2的流量比例（生長）保溫5h。 停止充氣并抽真空關機：按停止按鈕關閉設備升溫系統(tǒng)按“電源停止”按鈕關閉設備控制系統(tǒng)上的空開（ON至OFF）關閉循環(huán)水機組3個壓縮機及水泵按鈕（室外）關閉空氣壓縮機電源及按鈕（室內）關閉兩個總電源空開檢測設備并保證其處于正常狀態(tài)。2.6.2注意事項：抽高真空，順序是前級閥擴散泵開主閥，關閉時順序為主閥擴散泵前級閥。洗氣時，應先開維持泵，后開截止閥1,2。通氣時

12、，氣體流量計先調大至300，然后等其降至10以內再關閉，注意調零。清潔爐門時，應特備注意放氣閥附近。關閉爐門時，應將結合處用酒精擦凈，避免爐門出現縫隙。3實驗結果 3.1實驗產物由于時間限制，本次實驗未能成功鍍膜，曾多次碳化失敗，經分析改進后，碳化成功，但沉積時鉭絲斷裂，所以未能完成實驗。4實驗結果討論4.1失敗原因4.1.1鉭絲碳化失敗原因分析.爐腔內清潔未達標，充放氣閥門口附近存在水蒸氣，漂浮物等。燈絲表面不干凈，操作過程鉭絲沾有汗?jié)n或其他污染物。裝絲時拉簧的拉鉤未朝同一個反向，導致受力不同。燈絲致密度不均勻，容易出現應力集中。電流升高過快，超過以往電流變化值。充氣時，閥門放氣過快，沖擊到

13、燈絲，導致燈絲碳化不均勻。由于碳化不均勻，會導致存在溫差，最終應膨脹不均導致斷裂。絲架碳化后有沉積碳未處理干凈。4.1.2沉積失敗原因分析碳化后燈絲變脆，同時升溫較快，都會導致燈絲斷裂。一根燈絲斷裂之后，加在另外的燈絲上，導致剩余燈絲電流過大，最終燈絲斷裂。碳化后，各部分電阻會出現差異，從而導致電流不均。甲烷，氫氣充入時，若充氣過大，會沖擊燈絲，使燈絲斷裂。甲烷氫氣充入時，混合不均。當燈絲整體下垂時，用紅外測溫儀測得的燈絲電流可能會略有變化。4.2改進方法1.全過程采用無塵操作。2.解決鉭絲拉力均等的問題，確保拉力在合適的范圍內。3.氣壓和電流控制稍低一點3.5kPa，110A左右。4.檢測設

14、備的氣密性。結論本次實驗所探究的是各類工藝參數對沉積的影響，其中最重要的是熱絲對沉積的影響，而影響熱絲的因素有很多，如爐內的清潔程度，熱絲電流，充氣速度，排布方式等。必須控制好這些參數才能保證燈絲不斷，同時燈絲的不斷不一定代表碳化的成功 體會與建議通過這兩周的實驗，對科研實驗的過程有了系統(tǒng)的了解，對科研論文的寫法有了初步的了解。在整個實驗過程中，讓我影響最深的是細節(jié)對整個實驗成功的重要性。很多時候一個不經意的失誤就會造成實驗的失敗，而有時候這些細節(jié)就是最基本的要求，即低級錯誤，譬如實驗過程中沒注意通風，用自來水來配制溶液，稱量操作過程的不規(guī)范等等，會造成原料的浪費，誤差的過大，甚至實驗的失敗。

15、其次就是團隊的重要性，很多時候團隊的其他成員會幫助你發(fā)現問題，改進問題，對實驗的成功有莫大的幫助。希望下次爭取做到更好。參考文獻1SUN 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孫方宏，張志明，沈荷生，等. 納米金剛石薄膜的制備與應用J 機械工程學報，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 Engineer