DC jet plasma CVD法制备cBN薄膜设备与工艺研究

摘要

立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，简称cBN）有着优异的物理化学性质，硬度高、耐磨性好、抗氧化能力强、不易与铁系金属发生反应、可进行P型和N型掺杂，使其在机械切削加工、光学和电子领域有着非常明朗的应用前景。但是目前国内对CVD法制备cBN的研究工作尚不成熟，因此开展CVD法cBN薄膜的制备研究工作有着重要的意义和价值。为探索cBN薄膜的制备工艺，本文开展在不同衬底上制备cBN薄膜的基础工艺研究。所完成的工作和取得的成果如下：
　　1.分析了直流喷射等离子体CVD设备沉积原理，根据cBN的制备要求对原直流喷射等离子体CVD法金刚石薄膜沉积设备进行改进，增加小流量H2气路、N2气路、BF3气路、偏压装置、尾气处理装置和低压真空度检测装置，使其满足cBN制备的设备条件。研究了Ar/N2气体不同配比、气压、偏压、BF3气体对等离子体弧的影响，发现腔压4kPa，泵压9kPa，Ar流量3~4.5SLM，N2流量1~2SLM，BF3流量10~20SCCM（含量为10％），偏压小于-75V时可得到稳定的等离子体弧。
　　2.使用Fluent仿真软件，对沉积腔进行建模仿真，研究了阳极环与沉积台不同距离、Ar/N2不同配比和不同材料沉积台对沉积台区域温度场和流场的影响。仿真结果表明：阳极环与沉积台距离过大会使衬底表面温度和压力急剧降低；提高 Ar/N2比例会引起衬底表面温度和压力的缓慢降低；铜沉积台相比钼沉积台，衬底表面温度下降较明显。
　　3.采用改进之后的直流喷射等离子体CVD设备在 Si、Si/金刚石、硬质合金/金刚石和Mo/金刚石衬底上制备cBN薄膜。研究了不同偏压和衬底温度对Si衬底制备cBN的影响，发现在本系统中温度为860℃、偏压为-60V时为合适的沉积参数；Si/金刚石制备出的cBN薄膜呈团聚状；硬质合金/金刚石衬底表面在大面积等离子体辐射下温度过高，粒子轰击、刻蚀能力增强，使得金刚石层部分被刻蚀，阻碍了cBN的形核生长；以Mo/金刚石为衬底时，发现金刚石层仍存在刻蚀情况，但在表面发现纳米级cBN晶粒。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 BN的结构与性质

1.2 cBN涂层的生长机理及制备方法

1.3 cBN的表征方法

1.4 CVD法制备cBN研究现状及存在的主要问题

1.5 本论文的研究内容

第二章 DC jet plasma CVD制备cBN设备研究

2.1 DC jet plasma CVD沉积系统研究

2.2 DC jet plasma CVD法制备cBN引入BF3的作用

2.3 等离子体弧稳定性研究

2.4 本章小结

第三章 DC jet plasma CVD法制备cBN有限元仿真研究

3.1 反应气体的流体特性

3.2 流场仿真模型的建立

3.3 沉积腔仿真结果及分析

3.4 本章小结

第四章 基于DC jet plasma CVD的cBN制备工艺研究

4.1 衬底材料的选择及制备

4.2 制备cBN实验过程

4.3 Si衬底制备cBN研究

4.4 Si/金刚石衬底制备cBN研究

4.5 硬质合金/金刚石衬底制备cBN探索研究

4.6 Mo/金刚石衬底制备cBN探索研究

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文