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