大面积CVD金刚石膜的热铁板抛光

第3卷第Y期ssn1001-053x.2001.0138京科技大学学报 Vol.23 No.1 2001年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2001 大面积CVD金刚石膜的热铁板抛光 刘敬明蒋政张恒大吕反修 唐伟忠 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研制成功国内第1台大面积CVD金刚石膜热铁板抛光机.它可以在10Pa真空条件 下，加热到1100℃；抛光台可以在0~10rmin间实现无级调速，一次完成3片中110mm的金刚石 膜的抛光.金刚石膜在980℃，2h抛光的结果表明该装置有良好的抛光效果.金刚石膜在980℃ 抛光不同时间的Raman谱表明，金刚石热铁板抛光是金刚石石墨化和C原子不断扩散的过程. 关键词CVD金刚石膜；热铁板抛光；石墨；扩散 分类号TB43 金刚石具有高热导率、优异的耐磨性和低 Pa/h;加热系统采用钼电阻加热，电源功率为15 的摩擦因数、介电性好等优异的性能).自从 kW,最高加热温度1100℃；转动部分采用永磁 1962年采用化学气相沉积法(CVD)合成金刚石 电机，抛光台（行星轮）可以实现0-5r/min间无 至今，已发展了许许多多合成金刚石膜的方法， 级调速.图1是抛光机的机构示意图. 如直流电弧等离子体喷射法、微波等离子体法、 热丝法.然而用这些方法制备的金刚石膜往往 观察口 进气口 行星论 存在厚度不均匀、晶粒大小不均匀、晶粒的取向 炉门 的随意性、内部应力等缺点.而表面粗糙度和厚 开启机构 度的不均匀性制约了金刚石膜的应用，如热沉 材料的热接触、光学窗口的表面反射问题等.为 热电偶 了减少金刚石膜的表面粗糙度，人们提出了许 多CVD金刚石膜的抛光技术，如机械抛光、 腔体 机械平整热化学抛光、化学辅助机械抛光 (CAMP)、激光抛光、离子束抛光等.在这些抛光 电炉 方法中，热化学抛光是一种比较好的多晶金刚 石厚膜抛光方法.热化学抛光的抛光速率比较 电机 高，设备费用低，十分适合大面积的CVD金刚 图1热化学抛光机结构图 石膜的抛光.本文力图建立国内第一台大面积 Fig.1 Schematic diagram of thermo-chemical polishing apparatus 金刚石膜的热铁板抛光装置，利用电子显微镜 和Raman光谱来验证CVD金刚石膜通过该装 本抛光设备的可以实现同时抛光3片直径 置抛光后达到的结果. 为110mm的金刚石膜片.图2是热铁板抛光的 工作原理图及实际工作平台，热化学抛光是以 1 热铁板抛光装置的建立 碳原子在热金属中的扩散、金刚石转化为石墨 我们与北京机电研究所共同研制出了 和金刚石的氧化为基础.金刚石膜通过热金属 TCDP-1O0型热铁板抛光设备.本设备主体主要 (Fe,Ni,Mo)板抛光，抛光速率依赖于金刚石膜 由真空系统、加热系统、转动系统及控制系统4 表面碳原子向热金属中的扩散速率.它一般是 部分组成.其中真空系统采用机械泵和扩散泵 通过金刚石膜在真空、氢气或惰性气体气氛下 两级系统，极限真空度为10-3Pa,压升率为1.3 在加热到750-1100℃的热铁板上转动摩擦，同 收稿日期：2000-08-28刘敬明男，30岁，博士 时在高温下C原子向金属板的扩散来实现金刚 *国家"863"计划资助重大项目(N0.863-715-Z38-03) 石膜的平整化

第 2 3 卷 第 1期 2 0 0 1 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e r s i yt o f S e i e n e e a n d eT c h n o l o gy B e ij i n g V b l . 2 3 N o . 1 F e b . 20 0 1 大面积 C V D 金刚石膜 的热铁板抛光 刘敬明 蒋 政 张恒 大 吕反修 唐伟忠 北京科技 大学材料科学与工程学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 研制成 功 国 内第 1 台大 面积 c v D 金 刚石 膜热铁板抛 光机 . 它 可 以在 10 一 3 aP 真空 条件 下 , 加热 到 1 10 0℃ ; 抛光 台可 以 在 O一 10 r/ m in 间实现 无级 调速 , 一次完 成 3 片中1 10 m m 的金 刚石 膜的抛光 . 金 刚石 膜在 9 80 ℃ , Z h 抛光 的结 果表 明该装置 有 良好的抛光 效果 . 金刚石 膜在 9 80 ℃ 抛光不 同时间 的 R 田m an 谱表 明 , 金 刚石热 铁板抛光是金 刚 石石 墨化和 C 原子 不 断扩散 的过程 . 关键词 C v D 金 刚石膜 ; 热铁板 抛光 ; 石 墨 ; 扩散 分 类号 T B 43 金刚石具有 高热导率 、 优 异的耐磨 性和 低 的摩 擦 因数 、 介 电性好 等优异 的性 能 〔月 . 自从 19 6 2 年采用化学气 相沉积法 (C V D )合成 金刚石 至今 , 已发展 了许许多多合成金刚石膜 的方法 , 如直流 电弧等离子体喷射法 、 微波等离子体法 、 热丝 法 . 然 而用这些方 法制备 的金 刚石膜往 往 存在厚度不均匀 、 晶粒大小不均匀 、 晶粒的取 向 的随意性 、 内部应力等缺点 . 而表 面粗糙 度和厚 度 的不 均匀性制 约了 金 刚石膜 的应用 , 如热 沉 材料 的热接触 、 光学窗 口 的表面反射 问题等 . 为 了减少金 刚石膜 的表面粗糙度 , 人们 提 出了许 多 C V D 金 刚石 膜 的抛光技 术 『2一习 , 如机械抛光 、 机 械 平 整 热 化 学 抛 光 、 化 学 辅 助 机 械 抛 光 (C A M P ) 、 激光抛光 、 离子束抛光等 . 在这些抛光 方法 中 , 热化学抛 光是一种 比较好 的多晶金 刚 石厚膜抛光方 法 . 热 化学抛光 的 抛光速 率 比较 高 , 设备费用低 , 十分适合 大面积 的 C V D 金刚 石 膜的抛光 . 本文力 图建立 国 内第一 台大面积 金 刚石膜 的热 铁板抛光装 置 , 利用 电子显 微镜 和 R am an 光谱来 验证 C V D 金 刚石膜通过该 装 置抛 光后达到 的结 果 . 1 热铁板抛光装置 的建立 我 们 与 北 京 机 电 研 究 所 共 同 研 制 出 了 T C D -P l o 型 热铁板抛光设备 . 本设 备主体 主要 由真空 系统 、 加热系统 、 转动 系统及控制 系统 4 部分组成 . 其 中真空 系统 采用机械泵 和扩散泵 两级 系统 , 极 限真空 度为 10 一 , aP , 压升率 为 1 . 3 收稿 日期 : 2 0 0 0刊) 8一8 刘 敬明 男 , 30 岁 , 博士 * 国家 ” 8 63 ” 计划资助重大项 目( N o . 8 6 3 · 7 1 -5 2 3 8 一 03 ) P确 ; 加热 系统采 用钥 电阻加热 , 电源功率为 巧 kw , 最 高加热温度 1 10 ℃ ; 转动部分采用永磁 电机 , 抛光 台 (行星 轮) 可 以 实现 0一 s r /in l n 间无 级 调速 . 图 1 是抛 光机 的机构 示意 图 . 观察 口 进气 口 炉 门 开启机构 图 1 热化 学抛 光机 结构 图 F ig · 1 S e h e m a t ic d i a g r a m o f t h e r m o 一 e h e m i c a l P o ils h i n g a P P a r a t u s 本 抛光设备 的可以 实现 同时抛光 3 片直径 为 1 10 ~ 的金刚石膜 片 . 图 2 是热铁板抛光 的 工作原 理 图及 实际工作平 台 . 热 化学抛光是 以 碳原 子在热金 属 中的扩散 、 金 刚石转化为石墨 和金 刚石的氧 化为基础 . 金刚石膜 通过热金属 伊 e , iN , M o) 板抛光 , 抛光 速率依赖 于金刚石膜 表面碳 原子 向热金 属 中的扩散 速率 . 它一般是 通过金 刚石膜在 真空 、 氢气 或惰性气体气氛下 在加热 到 7 5 0一 1 10 ℃ 的热铁板上转动摩擦 , 同 时在高温下 C 原子 向金 属 板 的扩散来实现金刚 石 膜的平整化 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 01. 038

Vol.23 No.1 刘散明等：大面积CVD金刚石膜的热铁板抛光 43 行星齿轮 光速率(10nm/h)快了3个数量级.不过，由于在 中心齿轮 外齿轮 高温下金刚石膜与基片的粘结比较困难，一种 合适的高温胶是获得较好抛光效果的关键， 金刚石膜在热铁板抛光机中1100℃时的静 态热接触2.5h的结果可以使得金刚石膜的厚度 减少50mh,抛光的速率可达到20mh左右. 图2DTCP-100型金刚石膜抛光机结构原理图 这可以说明金刚石膜的热铁板抛光效率随着抛 Fig.2 Schematic diagram of DTCP-100 thermo-chemical 光温度的提高而明显提高.关于抛光时间、环境 polishing apparaturs 气氛、铁板成分、转速等对抛光效果的影响等工 2实验结果及讨论 作还需进一步研究. 利用铁板在高温下较好的溶碳性，还可以对 为了了解热铁板抛光机在实际工作中达到 金刚石膜表面进行选择性刻蚀.图4是将表面带 的效果，我们将热铁板抛光机在950℃对CVD金 细槽的纯铁与金刚石膜表面在高温下(980℃)保 刚石膜进行旋转抛光实验.图36)是利用本抛光 温2h后，金刚石膜的表面形貌图.图中箭头所 机在980℃抛光图3(a)所示的金刚石膜原始形貌 指为没有发生石墨化的而留下的花样，这说明 2h后得到的金刚石膜表面形貌.结果表明粗糙 了铁在金刚石转变为石墨的催化作用及其C在 的金刚石膜表面得到了较好的平整化.抛光后 高温下与铁板有较好的溶碳性，2h就有良好的 的金刚石膜的厚度减小了22m左右，其抛光的 效果 速率可达到10mh左右，相对于机械抛光的抛 图3热铁板抛光2h后的金刚石膜表面形魏，()金刚石膜原始形貌：)抛光后的表面形貌 Fig.3 Surface morphology of thermo-chemically polished CVD diamond for 2h 图4与带槽的铁板在980七下作用2h后金刚石膜形核面的表面形酸.(a)线宽钓35Mm;b)线宽约2000m Fig.4 Surface morphology of CVD diamond reacting chemically with iron at 980C for 2h 3热铁板抛光机理讨论 和图5(c)是在980℃时分别保温30mi血，2h后的 Raman诸.实验结果表明在热化学反应的初期， 为了了解金刚石膜在热铁板抛光的过程中 在金刚石膜的表面有一定量的石墨相产生，而2 的变化，将金刚石膜在980℃与铁板静态接触不 h后，石墨相含量减小.在1100℃时，金刚石转 同的时间，随后进行Raman测试.其结果如图5 变成石墨的激活能大约为1000kJ/mol,比C原 所示.其中图5(a)是抛光前的Raman谱，图5(b) 子在铁中扩散的激活能(~100J/mo高1个数量

44 北京科技大学学报 2001年第1期 (a)抛光前 b)抛光30min后 6 (c)抛光2h后 3 1.11.21.31.41.51.61.71.11.21.31.41.51.61.71.21.31.41.51.61.7 V10'cm 图5金刚石膜热铁板抛光过程中的Raman谱 Fig.5 Raman shift of thermo-chemically polishing CVD diamond 级，因而C原子在铁中扩散的速度应远远大于 机，可以在高真空条件下，加热到1100℃，抛光 金刚石的石墨化速度.但实际过程中，除了激活 台可以在0-l0r/mim间实现无级调速，一次完成 能外，它们的速度还强烈地受到金刚石膜与铁 3片中110mm金刚石模的抛光.在980℃的实验 界面条件的影响.C的扩散是一个原子迁移过 结果表明本抛光机具有很好的工作特性 程，它要求具有良好的接触条件.原理示意图如 (2)金刚石膜热铁板抛光是通过金刚石在高 图6所示. 温下不断石墨化及C原子不断扩散溶解来实现 金刚石膜的平整化. 石量化 金刚石膜 参考文献 1 Sussmann RS,Coe S E.CVD Diamond:A New Engineer- ing Material for Thermal,Dielectric and Optical Applica- C扩散 C扩散 铁板 tions.Industrial Diamond Review,1998,3:69 图6金刚石膜与热铁板的作用机理 2 Malshe A P.Park B S,Brown W B,et al.A Review of Fig.6 Principle diagram of thermo-chemical polishing Techniques for Polishing and Planarizing Chemically Va- CVD diamond por-deposited(CVD)Diamond Films and Substrates.Dia- mond and Related Materials,1999,8:1198 实验结果表明：在抛光的开始阶段，由于界 3 Yoshikawa M.Development and Performance of a Dia- 面接触条件的限制，金刚石石墨化处于优势状 mond-film Polishing Apparatus with Hot Metals.Diamond 态，随着抛光的进行，金刚石膜与铁的接触面积 Optics III.SPIE 1325,1990.210 增大，C的扩散成为主要因素，此时金刚石膜的 4 MalsheA P,Ozkan A M,Brown W D.Sequential Multiple- laser-assisted Polishing of Free-standing CVD Diamond 表面残留的石墨减少，金刚石膜热铁板抛光也 Substrates.Diamond Rlat Mater,1997,6:1789 就是一个金刚石石墨化和C原子不断扩散的过 5 HirataA,Tokura H,Yoshigawa M.Smothing of Chemi- 程，使粗糙不平的金刚石膜达到平整的目的， cally Vapour Deposited Diamond Films by Ion Beam Irra- diation,Thin solid films,1992,212:43 4结论 6 Field JE.The Properties of Natural and Synthetic Diam- (1)研制成功国内第1台大面积热铁板抛光 ond.London:Academic Press,1992 Thermo-Chemical Polishing of Large Area CVD Diamond Films LIU Jingming,JIANG Zheng,ZHANG Hengda,LV Fanxiu,TANG Weizhong Material Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The first domestic thermo-chemical polishing apparatus is setup.Three 110mm in diameter diamond films can be polished simultaneously at 10-Pa from 750C to 1 100C,with the polishing rate incre- asing with increasing temperature.The results of polishing at 980'C showed that polishing of CVD diamond films is very efficient.Thermo-chemical polishing mechanism is based on the transformation of diamond into graphite and the atomic dissolution of carbon into a hot metal. KEY WORDS CVD diamond films;thermo-chemical polishing;graphite;diffusion

. 44 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 1 年 第 1期 ( a) 抛光前 } l O 伪 )抛光 03 m ni 后 (c )抛光 Z h 后 、侧麒一b 一 一 - -` 一一 -一` ~一 -` 一一 ` -一 一 ~` - - -一 .二一 - 一法 -一 -一` 一 - J一一一 J O匕 ` 曰一 ~一 1 . 2 1 . 3 1 . 4 1 . 5 1 . 6 1 . 7 1 . 1 1 . 2 1 , 3 1 . 4 1 . 5 1 . 6 1 . 7 1 . 2 刀1 0 3c m 图 5 金 刚石 膜热铁板抛光 过 程 中的 R a m . n 谱 F ig 乃 R a m a n 比ift of ht er m -o e b e . 五。 ny p o ils h in g C V D d i a m on d 3 1 . 4 1 . 5 1 . 6 1 . 7 级6[] , 因而 C 原子在铁 中扩 散的速度应远远大于 金刚石 的石墨化速度 . 但 实际过程中 , 除 了激活 能外 , 它们 的速度 还强烈地 受到金 刚石膜与铁 界面条件的影 响 . C 的扩散 是一个原子迁移过 程 , 它要 求具有 良好 的接 触条件 . 原理示意 图如 图 6 所示 . 墨化 金刚石膜 C 扩散 公 C 扩散 铁板 圈 ` 金 刚石腆 与 热铁板的 作用机 理 F 褚 . 6 P血d P】e d加 g ar m of ht e mr -oc 加m ica l op 血h in g C V D 山 a m 皿d 实验结果表 明 : 在抛光 的开始 阶段 , 由于界 面接触 条件的 限制 , 金 刚石石墨化处 于优势状 态 , 随着抛 光的进行 , 金刚石膜与铁的接触面积 增大 , C 的扩散成 为主要 因素 , 此 时金 刚石膜 的 表面残 留的石墨减少 . 金 刚石膜热铁板抛 光也 就是一个金 刚石 石墨化和 C 原子不 断扩散 的过 程 , 使粗糙不 平的金 刚石膜 达到平 整的 目的 . 4 结论 ( l) 研制成功 国 内第 1 台大面积热铁板抛光 机 , 可以 在高真 空条件下 , 加热到 1 10 0 ℃ , 抛光 台可 以在 0一 10 以m 如间实现无级调速 , 一次完成 3 片拟 10 ~ 金刚石模 的抛光 . 在 9 80 ℃ 的实验 结 果表 明本 抛光机具 有很好 的工作特性 . (2 )金刚石膜热铁板 抛光是通过金刚石在高 温下不 断石墨化及 C 原子 不断扩散溶解来 实现 金 刚石膜 的平整化 . 参 考 文 献 1 S u s s m a n n R S , C o e S E . C V D D i am o n d : A N e w E n g in e e r . in g M a te ir a l fo r hT emr a l , D i e l e e itr e an d O Pti c ia A P Pli ca￾tl o n s . nI d us 州ia D i am o n d eR vi e W, 19 98 , :3 6 9 2 M a l hs e A P, Par k B S , B r o 场, W B , 改 a l . A Re v i ew o f 介c 腼i que s for P o ll hs i n g an d p l an 面z in g C h e m i c a l ly Va - P -or d e P o s i et d (C V D ) D i am o n d F il m s an d S ub s tr at e s . D i a￾m on d an d 助lat e d M at e ir al s , 19 99 , 8 : 1 198 3 oY hs ik即胃 a M . D ve e l o P m e n t an d P e ir b mr an c e o f a 压a - m o n d 一 if lm P o ll s h in g A PPaJ 滋tU s W iht H ot M e alt s . D i am o n d 御d c s 1 1 . S P IE 132 5 , 199 0 . 2 10 4 M al s h e A P, o kz an A M , B r o 场叭 W D . S e q u e in i ia M u l ti Pl e - las -er as s i set d P o li s h l n g o f Fer e . s st nL d ign C V D D i am o n d S ub s杠. te s . D i am on d 刃at M a te几 1 9 9 7 , 6 : 1 7 8 9 S H 让妞at A , 肠幻叮 a H , OY hs ig aw a M . S m o ht in g of C h e m i - e ia ly Va P our D e OP s i et d D i am o n d F i ln s b y I o n B e am I n 习. id iat o l, Th in s o li d if lm s , 19 92 , 2 12 : 4 3 6 F i e ld J E . Th e P r o pe rt i e s o f N at 翻旧 l an d s y nl 由e tl e D i翻. · 。 n d . L o n d o n : A e a d e m ic rP e s s , 1992 hT e n n o 一 C h e m i e a l P o li s h i n g o f L a gr e 户J e a C V D D i am o n d F ilm s LI U iJ 刀例才昭 , 汤叼刀吞 hZ e 林g , Z万叼N G eH gn da L V 厂’a xn iu, 侧刀吞 肠七 ho gn M创比 ir al S c ien 沈 助 d E n g in e e inr g s c h o l , U S T B iej in g 尹e ij ing 10 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T hT e if r s t d o m e ist e ht e n 力。 一 e h e m i e al P o li s hj 的9 aP P田傲 ot s 1 5 s e t u P . 侧肚e e 中1 10 r n 们。 in id am e t e r d i am o n d if ln s e an b e Pof i s h e d s 加川加山 e ou s ly at 10 一 , P a fr o m 7 5 0 oC t o 1 10 0℃ , w iht ht e Po li s hi gn r at e icn er - as ign w iht in c r e a s ign t e扰 IP e ar t[ 理 e . Th e er sul st o f P o ll shi n g at 9 8 0 oC sh ow e d ht a t P o li s h in g o f C V D id am o n d if lm s 1 5 v e yr e if e i ent . hT emr -o hc e m i e al op li s hln g m e c h an i sm 1 5 b a s e d on ht e tr a n s fo mr at ion o f d i am o dn int o 脚帅讹 an d ht e a t o m ic id s of iut on of c 打b on int o a h o t m eat L K E Y W O R D S C V D id am on d if 加;5 ht emr 。 一 c h e m ic ia oP h hs ign ; g 即h iet ; id 伪is on