CN108823551A - 一种cvd金刚石沉积过程中的基体自洁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CVD金刚石沉积过程中的基体清洁方法，解决了现有技术中基体无法100％清洁，形核困难、形核密度低和成膜质量差的问题。本发明的基体自洁方法包括以下步骤：将基体与热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空，通入甲烷与氢气；点亮热丝，待热丝的电压提升至设定值后，观察热丝颜色及基体颜色变化；基体表面产生彩纹后，关闭甲烷，降低氢气流量，同时通入氩气；基体表面彩纹逐渐消失，基体颜色转变为亮红色，温度传感器显示基体温度在600‑900℃范围内时，关闭氩气，开始正常涂层作业。本方明方法科学，操作简单，能达到基体的自洁效果，提高形核率，提升成膜质量，并创造一个具有保护性的可控反应氛围。
Description
技术领域
本发明属于金刚石涂层技术领域，具体涉及一种CVD金刚石沉积过程中的基体自洁方法。
背景技术
金刚石是自然界中最硬的物质，耐磨性好，导热性高及优异的化学稳定性等使其成为磨料和耐磨件的理想材料。但是，单晶金刚石稀有且脆，无法进行高强度的加工，致其应用领域受到限制。CVD金刚石涂层薄膜具有十分接近天然金刚石的硬度、同时具有高的弹性模量、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能，因而近年来得到了大量应用。
CVD金刚石涂层是在真空室中采用氢气和具有金刚石结构甲基(—CH3)的分子(如甲烷、丙酮等)的碳源气体形成的。大量的甲基与基体表面作用以及它们之间的相互作用，形成碳碳连接的共价键，进而在基体表面上形成金刚石晶核。在高能粒子的持续作用下，活性的甲基逐步取代晶核中的氢，不断循环下去形成金刚石薄膜。氢元素在整个反应中提供刻蚀石墨相的作用，氢气在高温下分解形成氢原子，高能氢原子不断轰击基材表面，专一性地与石墨相C结合，从而起到刻蚀作用。
CVD金刚石涂层的生长对生长环境有着十分苛刻的要求，需要适当的压力、适当的温度、极低的反应室湿度、极高的空间和基材表面洁净度、精准的气体流量和比例、热丝与模具的高同心度、良好的热交换能力等等，每个工艺环节都对产品品质影响甚重。通常情况下，基体在经过预处理后，表面会被植入微量金刚石晶粒。金刚石晶粒作为形核的“种子”，在整个反应过程中起到至关重要的作用。基体的预处理不可能达到百分百的无杂质，在烘干过程中空气中的尘埃会附着在基体表面，这些尘埃会阻碍金刚石形核和生长，形成缺陷。另一方面，由于甲烷的分解温度比氢的分解温度低，致使初期在基体温度缓慢上升的过程中，大量生成石墨，覆盖植入的籽晶，阻碍形核，降低成膜质量。
因此，提供一种CVD金刚石沉积过程中的基体清洁方法，既能够清洁基体，又提提高形核率，提升成膜质量，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种CVD金刚石沉积过程中的基体清洁方法，解决现有技术中基体无法达到100％清洁，以及金刚石形核初期大量形成的石墨相造成形核困难、形核密度低和成膜质量差的问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所的一种CVD金刚石沉积过程中的基体自洁方法，包括以下步骤：
步骤1.将基体与热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空，并保持一段时间；
步骤2.向所述CVD真空沉积炉内通入甲烷与氢气；
步骤3.点亮所述热丝，待所述热丝的电压提升至设定值后，观察热丝颜色及基体颜色变化；
步骤4.基体表面产生彩纹后，关闭甲烷，降低氢气流量，同时通入氩气；
步骤5.继续观察基体表面颜色，基体表面彩纹逐渐消失，基体颜色转变为亮红色，温度传感器显示基体温度在600-900℃范围内时，关闭氩气，将氢气与甲烷流量及反应室压力调节至CVD金刚石涂层作业的设定值，开始正常涂层作业，基体自洁流程结束。
进一步地，所述步骤1中，抽至极限真空后，并保持一段3-8min。
进一步地，所述步骤2中，甲烷的流量为30-80sccm，氢气的流量为1500-3000sccm，并能过调节阀调节CVD真空沉积炉内反应室的压力为2-4KPa。
进一步地，所述步骤3中，所述热丝的电压设定为30V-50V。
进一步地，所述步骤4中，降低氢气流量至900-1100sccm。
进一步地，所述步骤4中，通入氩气，保持所述反应室压力为2-4KPa，氩气流量为100-300sccm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本方明方法科学，操作简单，在基体温度上升的过程中及形核初期，利用氢的刻蚀与清洁作用，刻蚀生成的石墨相，清洁基体表面其它杂质，达到基体的自洁效果，提高形核率，提升成膜质量。同时引入具有保护作用的微量氩元素对基体及热丝进行保护，创造一个具有保护性的可控反应氛围。
利用本发明方法清洁后的基体上，金刚石晶粒饱满，密度大，成膜质量高，几乎无表面缺陷，同时无变异生长的“瘤子”产生；金刚石膜与基体的结合力明显优于未通过自洁技术处理的金刚石膜，结合力有10％-15％的提高。
附图说明
附图1为采用本发明方法自洁后的基体制备金刚石膜的SEM扫描图。
具体实施方式
本发明提供以下具体实施方式对本发明的内容做出更为详细的说明，但本发明的主题范围并不局限于以下具体实施例。
实施例1
本实施例提供了本发明的CVD金刚石沉积过程中的基体自洁方法，具体为：
步骤1.将基体与热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空，并保持一段5min；
步骤2.向所述CVD真空沉积炉内通入甲烷与氢气；甲烷的流量为50sccm，氢气的流量为2000sccm，并能过调节阀调节CVD真空沉积炉内反应室的压力为3KPa。
步骤3.点亮所述热丝，待所述热丝的电压提升至40V后，观察热丝颜色及基体颜色变化；电压提升至设定值后约5min过后，基体表面产生彩纹，说明产生的石墨已经附着于基体表面，同时晶核已经开始形成；
步骤4.基体表面产生彩纹后，关闭甲烷，降低氢气流量至1000sccm，避免严重的氢脆反应对热丝强度造成影响；同时通入氩气，保持所述反应室压力为3KPa，氩气流量为200sccm；氩气可保护热丝，防止反应过程中断裂；
步骤5.继续观察基体表面颜色，约8min后，体表面彩纹逐渐消失，基体颜色转变为亮红色，温度传感器显示基体温度在800℃时，即说明基体温度达到最佳反应温度，形核结束，金刚石开始疯狂生长；关闭氩气，将氢气与甲烷流量及反应室压力调节至CVD金刚石涂层作业的设定值，开始正常涂层作业，基体自洁流程结束。
实施例2
本实施例提供了本发明的CVD金刚石沉积过程中的基体自洁方法，具体为：
步骤1.将基体与热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空，并保持一段3min；
步骤2.向所述CVD真空沉积炉内通入甲烷与氢气；甲烷的流量为80sccm，氢气的流量为3000sccm，并能过调节阀调节CVD真空沉积炉内反应室的压力为2KPa。
步骤3.点亮所述热丝，待所述热丝的电压提升至30V后，观察热丝颜色及基体颜色变化；电压提升至设定值后约5min过后，基体表面产生彩纹，说明产生的石墨已经附着于基体表面，同时晶核已经开始形成；
步骤4.基体表面产生彩纹后，关闭甲烷，降低氢气流量至900sccm，避免严重的氢脆反应对热丝强度造成影响；同时通入氩气，保持所述反应室压力为2KPa，氩气流量为300sccm；氩气可保护热丝，防止反应过程中断裂；
步骤5.继续观察基体表面颜色，约10min后，体表面彩纹逐渐消失，基体颜色转变为亮红色，温度传感器显示基体温度在600℃时，即说明基体温度达到最佳反应温度，形核结束，金刚石开始疯狂生长；关闭氩气，将氢气与甲烷流量及反应室压力调节至CVD金刚石涂层作业的设定值，开始正常涂层作业，基体自洁流程结束。
实施例3
本实施例提供了本发明的CVD金刚石沉积过程中的基体自洁方法，具体为：
步骤1.将基体与热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空，并保持一段8min；
步骤2.向所述CVD真空沉积炉内通入甲烷与氢气；甲烷的流量为30sccm，氢气的流量为1500sccm，并能过调节阀调节CVD真空沉积炉内反应室的压力为4KPa。
步骤3.点亮所述热丝，待所述热丝的电压提升至50V后，观察热丝颜色及基体颜色变化；电压提升至设定值后约5min过后，基体表面产生彩纹，说明产生的石墨已经附着于基体表面，同时晶核已经开始形成；
步骤4.基体表面产生彩纹后，关闭甲烷，降低氢气流量至1100sccm，避免严重的氢脆反应对热丝强度造成影响；同时通入氩气，保持所述反应室压力为4KPa，氩气流量为100sccm；氩气可保护热丝，防止反应过程中断裂；
步骤5.继续观察基体表面颜色，约8min后，体表面彩纹逐渐消失，基体颜色转变为亮红色，温度传感器显示基体温度在900℃时，即说明基体温度达到最佳反应温度，形核结束，金刚石开始疯狂生长；关闭氩气，将氢气与甲烷流量及反应室压力调节至CVD金刚石涂层作业的设定值，开始正常涂层作业，基体自洁流程结束。
实施例4
采用本发明实施例3方法自洁后的基体制备金刚石膜，得样品1；采用不经自洁后的基体制备金刚石膜，得样品2。样品1与样品2的基体一致，制备金刚石膜的方法，条件一致。金刚石膜的制备方法为现有技术。
将样品1与样品2进行压痕实验，结果表明，样品1中金刚石膜与基体的结合力明显优于样品2，结合力有10％-15％的提高。
实施例5
将实施例4制得的样品1与样品2进行SEM扫描检测，检测结果显示，通过样品1的基体上，金刚石晶粒饱满，密度大，成膜质量高，几乎无表面缺陷，同时无变异生长的“瘤子”产生，详见附图1。而样品2的基体，表面生成许多“瘤子”，同时，底层有明显的孔洞，孔隙率达到10％左右。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种CVD金刚石沉积过程中的基体自洁方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.将基体与热丝排布于CVD真空沉积炉内，抽至极限真空，并保持一段时间；
步骤2.向所述CVD真空沉积炉内通入甲烷与氢气；
步骤3.点亮所述热丝，待所述热丝的电压提升至设定值后，观察热丝颜色及基体颜色变化；
步骤4.基体表面产生彩纹后，关闭甲烷，降低氢气流量，同时通入氩气；
步骤5.继续观察基体表面颜色，基体表面彩纹逐渐消失，基体颜色转变为亮红色，温度传感器显示基体温度在600-900℃范围内时，关闭氩气，将氢气与甲烷流量及反应室压力调节至CVD金刚石涂层作业的设定值，开始正常涂层作业，基体自洁流程结束。
2.根据权利要求1所述的基体自洁方法，其特征在于，所述步骤1中，抽至极限真空后，并保持3-8min。
3.根据权利要求2所述的基体自洁方法，其特征在于，所述步骤2中，甲烷的流量为30-80sccm，氢气的流量为1500-3000sccm，并能过调节阀调节CVD真空沉积炉内反应室的压力为2-4KPa。
4.根据权利要求3所述的基体自洁方法，其特征在于，所述步骤3中，所述热丝的电压设定为30V-50V。
5.根据权利要求4所述的基体自洁方法，其特征在于，所述步骤4中，降低氢气流量至900-1100sccm。
6.根据权利要求5所述的基体自洁方法，其特征在于，所述步骤4中，通入氩气，保持所述反应室压力为2-4KPa，氩气流量为100-300sccm。
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