等离子体刻蚀增强CVD金刚石膜抛光的研究

摘要

CVD金刚石以其卓越优异的性能成为未来引人注目的工程材料。它已在硬质刀具、光学、热学、声学、微电子等方面得到广泛应用。但这些领域的应用均要求CVD金刚石表面具有一定平整度。现今，由于CVD金刚石柱状生长特性导致金刚石片厚度不均、晶粒大小不一和取向各异，产生了一个较为粗糙的表面，限制了其应用范围。因此，根据不同工业应用要求，CVD金刚石表面抛光技术成为金刚石应用的至关重要的一个环节。本研究中为了降低CVD金刚石表面粗糙度，采用了ECR等离子体刻蚀与机械抛光相结合的抛光方式，充分利用机械抛光技术的低成本、方便以及 ECR等离子体刻蚀的高效率、低损伤等两者的优点，从而提高机械抛光效率和金刚石表面质量。
　　本研究主要内容包括：⑴运用ECR等离子体刻蚀和机械抛光技术相结合的方法来抛光CVD金刚石，并和单一的机械抛光方法相比较，研究了等离子体刻蚀对后续机械抛光的影响，结果发现：金刚石经ECR等离子体刻蚀后非晶碳含量有一定程度降低，刻蚀过程在金刚石晶面形成的疏松表面有利于机械抛光，金刚石表面平均粗糙度更加快速降低。对比实验表明等离子体刻蚀对机械抛光前期的抛光效率的增强效果更为明显。⑵采用ECR等离子体对金刚石片进行了刻蚀实验，研究了磁场位形、样品台大小和样品台偏压这三个工艺参数对 CVD金刚石刻蚀效果的影响，并分别对样品进行了抛光处理。结果发现：收敛场相比于发散场，由于对等离子体具有约束和聚焦作用，离子束更聚集且具有更高能量，产生了更强的刻蚀效果，金刚石表面缺陷层更厚，从而更为明显的提高了机械抛光效率；样品台大小对刻蚀有影响。使用小样品台时，自偏压对离子束更强的汇聚作用和刻蚀后表面的场致发射，使得轰击金刚石片表面的离子能量和数量都得到了增强。相比于大样品台，更多高能离子轰击金刚石样品表面产生了更厚的缺陷层，刻蚀对机械抛光效率的增强效果更为显著；随着样品台加载偏压的改变，在等离子体直流鞘层和CVD金刚石表面微区域电场的共同作用下，ECR等离子体刻蚀CVD金刚石的结果表明离子束产生了选择性刻蚀。其中在偏压为-30V时，由于粒子束轰击作用集中在高位区域，且区域较广，因此高位区域缺陷层更厚，机械抛光时更易被除去，从而具有更高的抛光效率。⑶在原有的刻蚀后机械抛光的工艺基础上，增加铜质掩膜，探究了掩膜在刻蚀增强 CVD金刚石机械抛光中的作用，并对抛光前后金刚石表面性能进行了检测，结果发现：增加了铜质掩膜的抛光工艺具有更高的抛光效率，同时对抛光过程中 CVD金刚石的减薄有一定的抑制作用，减少了CVD金刚石的损耗，从而降低了生产成本，是一种具有较高抛光效率、低成本、低损耗的抛光方法；与未抛光金刚石相比，抛光后的金刚石表面光洁平整，质量有一定提高，润湿角增大。

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第1章 文献综述

1.1前言

1.2金刚石的性质、制备及应用

1.3金刚石抛光

1.4本工作的主要意义和研究内容

第2章 实验设备与表征

2.1金刚石片的制备

2.2 CVD金刚石片抛光

2.3金刚石片的表征

第3章 ECR等离子体刻蚀增强CVD金刚石机械抛光

3.1引言

3.2等离子体刻蚀对金刚石膜机械抛光的影响

3.3抛光机理的分析

3.4本章小结

第4章 刻蚀工艺参数对刻蚀增强机械抛光的影响

4.1引言

4.2磁场位形对刻蚀增强机械抛光的影响

4.3样品台大小对刻蚀增强机械抛光的影响

4.4样品台偏压对刻蚀增强机械抛光的影响

4.5本章小结

第5章 掩膜在刻蚀增强机械抛光中的作用

5.1引言

5.2掩膜的使用以及其抛光效果的研究

5.3 CVD金刚石表面的精加工及性能检测

5.4本章小结

第6章 论文总结与展望

6.1论文总结

6.2论文展望

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

致谢