0I:1013374W5ism001-03￥2000020E 第22卷第2期 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 2000年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2000 大面积金刚石膜沉积过程中的热应力分析 黄天斌刘敬明 唐伟忠佟玉梅 于文秀 吕反修 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要应用实际工作状态的边界条件计算了金刚石膜中的热应力分布，并用实验手段进行 了验证，结果认为，金刚石膜的热应力沿径向是不均匀的，中间的热应力要比边部的大，主要是 压应力，这种很大的压应力，容易引起金刚石膜的炸裂， 关键词大面积金刚石膜：热应力：数值计算 分类号TB43 10年来，低压气相合成金刚石的方法获得 图2是从轴线沿径向方向切一平面，运用 巨大成功，已能生产各种形态的优质金刚石. 有限差分的方法，只考虑传热过程，忽略化学反 金刚石有许多独特的性能两，可广泛应用在光 应，忽略气体成分的不均匀性，所得到的对温度 学、电子学、声学等诸多方面.在实际应用中，大 分布的近似计算.图中的各个数字表示各等温 面积金刚石薄膜是优异的窗口材料，沉积过程 线的温度值：横坐标为径向距离，纵坐标为轴向 中的应力是影响金刚石膜质量的重要因素，直 距离.从图中可以看出生长金刚石膜的环境温 流电弧等离子体喷射是制备大面积金刚石薄膜 度是不均匀的，不均匀的温度和冷却过程造成 的有效方法，它的优点是可以实现高速生长，在 了金刚石膜中的热应力. 生长过程中，由于温度不均匀会产生热应力，如 1.0 2950 果热应力过大会导致金刚石膜的炸膜，如果关 100 0.8 机后的热应力不能有效释放，也会导致金刚石 3240 膜的炸裂.本文针对热应力问题进行研究 0.6 3100 3520 0.4 1生长金刚石膜的不均匀的环境 2380 0.2 生长金刚石膜的电弧会使金刚石膜的生长 0.0L 表面温度不均匀.如图1所示，电弧中间比较 0 2 3 亮，两边比较暗，这说明电弧中间温度比较高， r/em 两边温度比较低。这样的电弧会使基片上的温 2电弧中的温度不均匀的计算（单位符号℃） 度也是中间高两边低， Fig.2 The caleulation of temperature non-uniformity in arc 2应力的计算分析 金刚石膜的沉积是在钼基底上进行的，由 于金刚石膜与钼的导热系数有很大的差别，所 以在冷却后金刚石膜会变形，而且有很大的应 力，采用了有限元的方法对金刚石膜中的应力 图1电弧产生的温度不均匀 进行计算，计算时以圆柱状的钼和其上面的金 Fig.I Temperature non-uniformity due to are 刚石膜为研究对象，沿轴线取一平面进行研究， 199901-12收稿黄天斌男，28岁.博士 图3，图4和图5都是在这一平面内进行计算的. *国家“863”高科技资助项目(No.715-002-Z030)DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 02. 016