MPCVD法生长曲面多晶金刚石薄膜研究.pdf
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1、第 3 期MPCVD 法生长曲面多晶金刚石薄膜研究许坤,吕思远(郑州航空工业管理学院,河南 郑州450000)冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 3 期2024 年 3 月Vol.44 No.3Mar.2024摘要:金刚石振膜具有高保真、声传播速率快、弹性模量高、声阻尼特性好、优异的高频响应特性,是高保真扬声器高音单元喇叭膜的理想材料。目前微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法生长单晶金刚石以及平面多晶金刚石薄膜技术都较为成熟,实现了规模化生产,但是对于曲面多晶金刚石薄膜的研究鲜有报道。利用现有MPCVD 设备生长曲面金刚石薄膜,由于等离子体火
2、球在曲面周围分布不均匀,存在曲面膜厚度不均、内应力大、脱模困难等问题。文章根据曲面膜生长的要求,设计谐振腔尺寸及结构并利用有限元设计分析软件进行仿真分析,使等离子体火球均匀分布在曲面基底表面。并制作了相应的 MPCVD 设备进行曲面多晶金刚石薄膜的生长。最终获得厚度 40滋m、直径 25.7mm、球面半径为 25mm 的多晶金刚石曲面膜。拉曼测试结果显示,薄膜为质量较好的多晶金刚石。关键词:微波等离子体化学气相沉积;谐振腔;有限元分析;曲面多晶金刚石薄膜基金项目:河南省高等学校重点科研项目基础专项项目(项目编号:22ZX012);河南省重点研发与推广专项(科技攻关)项目(项目编号:212102
3、210271);河南省高等学校重点科研项目(项目编号:21B140010);河南省高校科技创新团队项目(项目编号:22IRTSTHN004);航空科学基金项目(项目编号:ASFC-2019ZF055002)。作者简介:许坤(1987),男,河南商丘人,主要从事碳材料的制备与应用工作。通讯作者:吕思远(1997),男,河南漯河人,主要从事 MPCVD 设备研发及碳材料生长工作。在所有天然及合成材料中,金刚石具有声传播速率快、弹性模量高、声阻尼特性好、优异的高频响应特性,并且金刚石具有高热导率,有利于将音圈所产生的热量通过振膜向空间散发,从而提高扬声器能承受的输入功率,避免因长时间大功率输入导致烧
4、毁音圈或改变喇叭阻抗,影响声音定位的准确性。因此金刚石是高保真扬声器高音单元喇叭膜的优异材料。但由于部分行业的保密需求,关于曲面多晶金刚石薄膜报道较少。且由于曲面金刚石薄膜声学振膜一般要求厚度为40滋m,并且膜的均匀性要好,这很大程度上增加了薄膜的生长难度和脱模难度。当前成熟的 CVD 金刚石膜的生长方法主要有热丝CVD 法、微波等离子体 CVD 法、直流等离子体喷射CVD法等。热丝 CVD 法虽然设备成本低,但灯丝容易断、基本上生长一次需要换一次灯丝。而且灯丝一般为钨丝,钨高温易挥发污染样品,因此样品质量不高,大多数只能做工具级金刚石薄膜。直流等离子体喷射 CVD 法具有气体温度高、能量密度
5、大、离化率高的特点,但是其耗电量大,大幅增加了生产成本。微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法具有放电区集中、无污染、工作稳定、易于精确控制、沉积速率快、成膜质量高等优点。但是传统的 MPCVD 设备辉光放电区域无法均匀的包覆曲面基底咱1-3暂。谐振腔是 MPCVD 设备的核心,微波源产生微波,通过三销钉进行阻抗匹配调节,同轴天线使微波馈入腔体产生谐振。在内部腔璧的作用下,腔体内部分区域产生强场、部分区域产生弱场。馈入的含碳气体在强场的作用下被激发为等离子状态,含碳基团沉积在衬底表面形成金刚石薄膜。传统的圆柱腔只能在平面区域内形成均匀的电场,多用于生长单晶金刚石以及平面多晶金刚石薄膜。在圆柱
6、腔上部引入锥形微波反射结构,在锥体内壁反射的作用下,使等离子体均匀的覆盖在曲面基底表面。1谐振腔有限元仿真首先使用有限元仿真软件对腔体内部的电场进行分析,生长基底表面电场的均匀性以及电场覆盖的完整性是生长出高质量曲面多晶金刚石薄膜的关键。在电场的作用下,反应气体会由气态激发为等离子态其过程会释放大量能量,这就是反应中所提供的热源,其表现形式为发生反应时生长表面温度的高低,温差过大生长过程中多晶膜内会产生应力使其裂开,导致无法获得完整的曲面振膜。电场的场强越大,电离气体的能力越强,就会有更多的气体被电离为等离子态,反应表面含碳基团以及等离子态氢原子浓度增加造成反应速率过快,反之反应速率就会变慢,
7、造成生长出的金刚石薄膜薄厚不均,影响使用。因此,电场强度不但要均匀,而且要完全包裹在生长表面,这样生长出的金刚石1冶金与材料第 44 卷薄膜才会完整。常规的 MPCVD 设备只适合生长平面的多晶金刚石薄膜,其电场分布形式是在平面生长面上电场强度均匀且基底覆盖完整。但是在曲面基底表面,大都会形成中心强四周弱的电场分布,生长的曲面金刚石薄膜中间厚四周薄,无法应用于声学振膜的使用场景,并且脱模过程中容易碎裂。目前这些设备只适合用于单晶金刚石以及平面多晶片的生长,因为在曲面基底表面电场的不均匀性,导致并不适合曲面多晶金刚石薄膜的生长。制备曲面多晶膜首先就要解决电场分布的问题,必须通过一定手段使覆盖在生
8、长表面的电场均匀咱4-7暂。文章中生长目标为应用于车载音响的声学振膜,直径为 25.7mm,曲率半径为 25mm,厚度为 40m。在圆柱腔的基础上进行改进,腔体直径为 175mm,高度为225mm,因此设计为直径 80mm、高度 20mm 的异形基底。微波频率采用传统的 2450MHz。为了消除基底边缘处的强场,将生长面与下方底座做成一个整体,由于谐振腔内部强场主要集中于棱角处,于是将生长面与底座平滑连接。腔体直径仍然设计为直径 175mm、高度 225mm,利用有限元分析软件得到分析结果如图 1 所示。图 1直径 175mm 时谐振腔内电场分布从分析结果整体来看消除了基底周围的强场,电场能够
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