用于CVD金剛石沉積的氮化硅表面預(yù)處理報(bào)告

摘要

本文研究了氮化硅（氮化硅）基底的不同表面預(yù)處理（四種標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)蝕刻和四種金剛石粉末磨刻(CVD)的效率?？瞻椎铇悠酚媚z體二氧化硅(0.25m)拋光。金剛石成核和生長(zhǎng)運(yùn)行在微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置中分別進(jìn)行10min和6h。機(jī)械微缺陷樣品的成核密度(Nd1010cm-2在10min后)、薄膜均勻性和粒徑(6h后低于2um)的結(jié)果優(yōu)越，表明化學(xué)蝕刻（冷熱強(qiáng)酸、熔融堿或四氟化碳等離子體）對(duì)氮化硅上良好的CVD金剛石質(zhì)量并不重要。

介紹

氮化硅基陶瓷被認(rèn)為是金剛石薄膜化學(xué)氣相沉積(CVD)生長(zhǎng)的充分襯底 ，因?yàn)樗鼈兗扔灿钟玻钪匾氖?，它們表現(xiàn)出接近金剛石的熱膨脹系數(shù)。這最大限度地減少了薄膜和襯底之間的界面殘余應(yīng)力，并確保了優(yōu)越的附著力。氮化硅的其他優(yōu)點(diǎn)是其滲碳性質(zhì)和沒有催化石墨形成的相，就像硬金屬底物中發(fā)生的那樣。與傳統(tǒng)的碳化鎢-鈷工具材料一樣，必須研究Si3N4基體的表面預(yù)處理，以提供高的金剛石成核密度。

本工作的目的是系統(tǒng)地研究傳統(tǒng)的Si3N4化學(xué)蝕刻工藝和微蝕刻技術(shù)對(duì)CVD金剛石沉積在這種工具材料上的影響。比較了成核密度、均勻性和金剛石薄膜晶體尺寸。使用空白樣品進(jìn)行自洽處理，通過(guò)用膠態(tài)二氧化硅拋光所有樣品來(lái)保證樣品的“惰性”表面，避免預(yù)處理程序前金剛石顆粒的存在。

實(shí)驗(yàn)

機(jī)械預(yù)處理S1至US15后，樣品用乙醇/丙酮超聲浴沖洗，去除松散的金剛石顆粒。通過(guò)超聲波攪拌六烷中的金剛石粉末懸浮液，或簡(jiǎn)單地通過(guò)金剛石濕刮擦，是一種非常常見的預(yù)處理，結(jié)合金剛石播種和增加基底比表面積。

金剛石沉積運(yùn)行是在MPCVD儀器中進(jìn)行的。沉積條件如下：微波功率，2.55kW；總壓力，1.2 104 Pa；H2/CH4fiow，400/24sccm。在短時(shí)間10min后進(jìn)行成核研究。為了獲得完整的薄膜，我們進(jìn)行了金剛石生長(zhǎng)6h。掃描電子顯微鏡和后向散射組裝微拉曼研究報(bào)告成核密度、薄膜質(zhì)量和殘余應(yīng)力評(píng)價(jià)。

結(jié)果和討論

圖1(a)和(b)分別是金剛石10min成核和金剛石生長(zhǎng)6小時(shí)后氮化硅拋光(NT)表面的代表性SEM鏡顯微圖。低密度的核隨機(jī)分布在氮化硅底物上，沒有證據(jù)表明底物相分布有優(yōu)先位點(diǎn)。與其他報(bào)告相反，在甲烷引入反應(yīng)器之前的初始H2蝕刻期不足以允許晶間玻璃相的首選攻擊。金剛石核的明亮外觀是由于電荷效應(yīng)。金剛石沉積6h后(圖。1(b))10m平均大小，形狀良好的金剛石晶體，而不是完整的薄膜。

圖2(a)至(d)顯示了化學(xué)預(yù)處理樣品上的金剛石成核。對(duì)HA樣品的嚴(yán)重酸攻擊。2(a))去除了大部分的顆粒間相，并強(qiáng)烈氧化了氮化硅晶體，在表面形成一個(gè)白色的二氧化硅層，EDS分析證明了一個(gè)強(qiáng)烈的氧峰。二氧化硅具有非碳化的性質(zhì)，阻礙了碳擴(kuò)散到樣品中。因此，在氮化硅顆粒的表面沒有出現(xiàn)金剛石晶體。優(yōu)先成核主要發(fā)生在晶界，在那里出現(xiàn)了最亮的晶體，盡管在一些氮化物晶體上存在晶核線，如圖所示。圖2(b)是室溫酸蝕刻材料(CA)上金剛石成核的圖片。至于HA樣品，這種化學(xué)處理包括氫氟酸，這是眾所周知的，其易于蝕刻玻璃，如這些陶瓷中存在的顆粒間相。

在機(jī)械預(yù)處理的樣品上沉積金剛石6小時(shí)后獲得的薄膜的掃描電鏡顯微照片如圖1和2所示。4(a–d)。這些膜之間的主要差異是平均金剛石粒度，其值是通過(guò)圖像分析從更高放大倍數(shù)的掃描電鏡顯微照片估計(jì)的。1米金剛石粉末濕磨樣品(S1)達(dá)到最小微晶尺寸(2米)，而最大微晶尺寸(5米)對(duì)應(yīng)于15米金剛石超聲波磨損預(yù)處理(US15)。因此，對(duì)于給定的機(jī)械應(yīng)用，最佳的金剛石膜顆粒尺寸可以通過(guò)刮擦預(yù)處理的金剛石砂粒尺寸來(lái)控制。后期預(yù)處理和15 m金剛石粉末濕磨預(yù)處理在晶體尺寸(略小于5 m)方面沒有很大區(qū)別，一旦微細(xì)化效果應(yīng)該在相同的數(shù)量級(jí)左右，這也解釋了金剛石密度的接近值。另一方面，使用更小的1 m金剛石粉末的機(jī)械處理導(dǎo)致更多的劃痕和更高的金剛石沉積反應(yīng)表面積。機(jī)械作用的類型是不可忽略的，因?yàn)樗鼪Q定了所涉及的接觸力，對(duì)于直接刮擦絲綢織物的情況比超聲波磨損更強(qiáng)。因此，用相同金剛石粉末處理的超聲研磨樣品的平均微晶尺寸略有增加。

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結(jié)論

對(duì)氮化硅底物的化學(xué)和機(jī)械預(yù)處理對(duì)CVD金剛石成核的影響進(jìn)行了更廣泛的研究。為了全面了解不同種類的表面制劑的作用，必須進(jìn)行“惰性”膠體二氧化硅拋光，以避免金剛石播種造成的任何假象，就像通常使用金剛石拋光時(shí)發(fā)生的那樣。

化學(xué)預(yù)處理通過(guò)強(qiáng)酸或堿性攻擊去除顆粒間玻璃相，或通過(guò)等離子體四氟化碳蝕刻氮化硅顆粒，結(jié)果不理想，薄膜密度低，或幾乎沒有。與化學(xué)蝕刻樣品相比，其成核密度(10min后接近1010cm-2)、薄膜金剛石壓實(shí)、均勻性和細(xì)粒徑(6h后低于2um)的優(yōu)異結(jié)果表明，化學(xué)蝕刻并不是氮化硅中良好的CVD金剛石質(zhì)量的必要步驟。粒間的化學(xué)和熱相容性較低粉末播種顆粒。在同樣的機(jī)械預(yù)處理中，較小的磨損顆粒傾向于產(chǎn)生更細(xì)粒度的金剛石薄膜，而直接干燥磨損似乎比超聲波的金剛石懸浮液攪拌更有效。通過(guò)避免化學(xué)蝕刻的表面制備的簡(jiǎn)單性，這在WC-Co等傳統(tǒng)的工具基板中是必不可少的，支持了使用Si3N4基陶瓷在這類應(yīng)用中的眾所周知的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，如它們的熱相容性和滲碳的性質(zhì)。

審核編輯：符乾江