什么是CVD金刚石

CVD金刚石膜是指利用低压化学气相沉积技术人工制备的一种膜状金刚石，以区别于利用高压高温(HPHT)技术人工制备的粉末态金刚石。低压化学气相沉积(CVD)金刚石膜技术是70年代中后期发展起来的一种新兴技术，是继50年代中期利用高压高温法在触媒的催化作用下将石墨转化为金刚石以来，人工合成金刚石领域的又一次重大突破。它预示着人类将能充分利用金刚石的各种优异物理性质。

众所周知，金刚石具有非常优异的性能，具体表现为：具有最高的硬度、室温下热导率最高、热膨胀系数小、全波段高光学透过率、声传播速度快、介电性能好、掺杂后具有半导体性质、以及具有极佳的化学稳定性等。正是金刚石具有这些独特优异性能，使金刚石在机械、电子工业、光学、声学等领域有着广阔的潜在应用前景。

CVD金刚石膜制备技术

目前，低压气相沉积金刚石膜方法很多，按其气体活化的差异，大致可分为四类∶(1) 热丝CVD法；(2) 直流等离子体CVD法；(3) 射频(或高频)等离子体CVD法；(4) 微波等离子体CVD法。我司在生产和研发部门主要用到以下两种方法：

1．直流电弧等离子体喷射法(DC Arc Plasma Jet)

此法用直流弧光放电，使以CH₄、H₂为主要成分的混合气体(也有用Ar-CO₂-CH₄-H₂)形成高温等离子体，然后将之喷射于基片上，等离子体的高能量及它所伴有的化学反应，会使甲烷中的碳原子牢牢结合成金刚石的多晶体，可达很高的生长速率，但沉积面积受限，成本也较高。随磁控、扩弧等技术的采用，DC Arc Plasma Jet技术已成为大面积金刚石膜高速沉积的一个主要方向之一。

直流等离子体喷射装置示意图

2．微波等离子体CVD法(MPCVD)

MPCVD是将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进入反应器，并通入CH₄与H₂的混合气，从而产生CH₄-H₂等离子体，在基片上沉积得到金刚石膜。MPCVD能实现金刚石膜的低温沉积，且合成膜的结晶性、晶体质量均很好。

微波等离子体装置示意图

金刚石膜的形核生长机理显著落后与制备技术的发展，到目前为止还没有一种令人信服的解释机理。不过，尽管各种CVD方法其装置的结构、工作原理大不相同，但是它们在沉积金刚石膜的工艺方面却具有以下共性∶

1. 碳源。包括各种含碳化合物甚至石墨，如烷、烃、烯、炔醇、酮、CO、CO₂及CF₄等；

2. 氢气。这是抑制石墨形核、生长并刻蚀共生石墨的主要气体；

3. 合适的碳氢比。气源中C/H比一般在10%以下；

4. 合适的基片温度。除低温沉积的特殊性外，基片温度一般限制在700℃-1200℃的范围内；

5. 低的工作气压。一般小于一个大气压。

6. 气体激活技术。至少要有一种（或几种）气体激活技术来激发碳源和氢气，产生具有活性含碳基团和原子氢的金刚石膜沉积气氛。

为了获得高质量金刚石膜，往往还要合理选择基片材料、对基片进行预处理以增加金刚石的形核密度和形核速度，往气源中加入少量O₂或F₂进一步抑制缺陷的生长并降低基片的沉积温度，必要时还要对金刚石膜进行后处理。

金刚石膜的特性和用途

金刚石具有特殊的立方结构，如下图所示，具有最大原子密度和非常强的化学键从而决定了其超乎寻常的物理性能和弹性性能。

金刚石的硬度、摩尔密度、热导率、声速均比任何已知材料的高，同时它的压缩系数和体积模量均比其他材料的低。它有非常低的热膨胀系数，为0.8´10^-6/℃，金刚石的光学、电学性能也非常优异。研究证实，CVD金刚石膜的力学、热学、光学等物理性质已达到或接近天然金刚石，下表对比列出了室温下CVD金刚石膜与天然金刚石的主要物理性能。
室温下天然金刚石及CVD金刚石膜的主要性能

关于CVD金刚石膜的应用按领域可分为工具应用、电子学应用热学应用、以及光学应用。

在所有应用中，CVD金刚石膜工具的市场容量最大，对金刚石膜质量的要求最低，是目前最易形成大规模工业化应用的领域。但是由于产品的质量、品种和价格因素，以及市场的接受过程，真正形成大规模的市场至少还需要几年。

近几年来，CVD金刚石的电子学应用，尤其是场致CVD金刚石电子发射在节能显示屏等领域的应用研究几乎形成了一股热潮。

热沉应用和光学应用对CVD金刚石膜质量的要求要比对工具应用高得多，即金刚石膜热沉应用要求很高的热导率，金刚石膜光学应用要求很好的透光性。高的质量要求会导致高的生产成本，但是产品的科技含量也显著提高，产品的附加值也高。至于能否形成大规模市场同样取决于热沉和光学应用产品的总体生产成本这一经济杠杆。

CVD金刚石膜的军事光学应用一直是世界各国，特别是美国追求的主要目标之一，主要用作高马赫数飞行的导弹头罩和红外焦平面阵列成象装置的窗口以及各种军事光学器件的保护涂层。军事光学应用对金刚石膜质量的要求极高，同时要求很大的沉积面积(最小的导弹直径也在100mm左右)和相当的厚度(2-3mm)，以及特定应用所要求的特殊形状。大面积、高速率和高质量金刚石膜沉积设备技术是开展CVD金刚石膜军事光学应用研究的关键之所在。民用光学的应用市场也相当良好，但同样取决于大面积、高速率、高质量金刚石膜沉积设备和技术。不解决这一关键问题根本谈不上工业化CVD金刚石膜的光学应用。