0I:1013374W5ism001-03￥2000020E 第22卷第2期 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 2000年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2000 大面积金刚石膜沉积过程中的热应力分析 黄天斌刘敬明 唐伟忠佟玉梅 于文秀 吕反修 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要应用实际工作状态的边界条件计算了金刚石膜中的热应力分布，并用实验手段进行 了验证，结果认为，金刚石膜的热应力沿径向是不均匀的，中间的热应力要比边部的大，主要是 压应力，这种很大的压应力，容易引起金刚石膜的炸裂， 关键词大面积金刚石膜：热应力：数值计算 分类号TB43 10年来，低压气相合成金刚石的方法获得 图2是从轴线沿径向方向切一平面，运用 巨大成功，已能生产各种形态的优质金刚石. 有限差分的方法，只考虑传热过程，忽略化学反 金刚石有许多独特的性能两，可广泛应用在光 应，忽略气体成分的不均匀性，所得到的对温度 学、电子学、声学等诸多方面.在实际应用中，大 分布的近似计算.图中的各个数字表示各等温 面积金刚石薄膜是优异的窗口材料，沉积过程 线的温度值：横坐标为径向距离，纵坐标为轴向 中的应力是影响金刚石膜质量的重要因素，直 距离.从图中可以看出生长金刚石膜的环境温 流电弧等离子体喷射是制备大面积金刚石薄膜 度是不均匀的，不均匀的温度和冷却过程造成 的有效方法，它的优点是可以实现高速生长，在 了金刚石膜中的热应力. 生长过程中，由于温度不均匀会产生热应力，如 1.0 2950 果热应力过大会导致金刚石膜的炸膜，如果关 100 0.8 机后的热应力不能有效释放，也会导致金刚石 3240 膜的炸裂.本文针对热应力问题进行研究 0.6 3100 3520 0.4 1生长金刚石膜的不均匀的环境 2380 0.2 生长金刚石膜的电弧会使金刚石膜的生长 0.0L 表面温度不均匀.如图1所示，电弧中间比较 0 2 3 亮，两边比较暗，这说明电弧中间温度比较高， r/em 两边温度比较低。这样的电弧会使基片上的温 2电弧中的温度不均匀的计算（单位符号℃） 度也是中间高两边低， Fig.2 The caleulation of temperature non-uniformity in arc 2应力的计算分析 金刚石膜的沉积是在钼基底上进行的，由 于金刚石膜与钼的导热系数有很大的差别，所 以在冷却后金刚石膜会变形，而且有很大的应 力，采用了有限元的方法对金刚石膜中的应力 图1电弧产生的温度不均匀 进行计算，计算时以圆柱状的钼和其上面的金 Fig.I Temperature non-uniformity due to are 刚石膜为研究对象，沿轴线取一平面进行研究， 199901-12收稿黄天斌男，28岁.博士 图3，图4和图5都是在这一平面内进行计算的. *国家“863”高科技资助项目(No.715-002-Z030)
DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 02. 016
·154 北京科技大学学报 2000年第2期 1[(a) 0.80b) 0.75 -1 0.70 0.65 -3 0.60 0.55 0.50 1 2 3 4 5 0 2 3 径向距离/cm 径向距离/cm 图3径向应力分布，()金刚石膜中，(b)钼片中的靠近金刚石膜部分 Fig.3 The distribution of radial stress.(a)Diamond,(b)Mo substrate near diamond 0.15a 0 (b) 0.10 -0.1 0.05 -0.2 -03 0 -0.4 -0.05 -0.5 -0.10 0 2 3 4 0 23 径向距离lcm 径向距离/cm 图4轴向应力分布，()金刚石膜中，(b)钼片中的靠近金刚石膜部分 Fig.4 The distribution of axial stress.(a)Diamond,(b)Mo substrate near diamond (a) 2.0o) 1.5 1.0 0.5 6 0 0.0f -0.5 -1.0 3 4 0 3 径向距离cm 径向距离/cm 图5周向应力分布，()金刚石膜，(b)钼片中的靠近金刚石膜部分 Fig.5 The distribution of circular stree.(a)Diamond,(b)Mo substratenear diamond 从图3(a)中可看出，金刚石膜中普遍在径 3金刚石膜中应力的实验分析 向受压应力；从图3b)中可看出，钼片中普遍受 拉应力.金刚石膜中的最大压应力约4GPa,钼 我们对金刚石膜中的应力进行了实验分 片中的最大拉应力约770MPa.这说明金刚石膜 析.图6为金刚石膜的断口形貌，可看出穿晶断 在冷却过程中很容易炸膜. 裂比较多.金刚石膜的生长随着时间的延长，晶 从图4(a)和(b)中可看出，金刚石膜和钼片 粒越来越粗大.60mm的样品，长到几百m的 中沿轴线方向大都是压应力，因此，可以推断金 时候容易断裂，这时金刚石膜比较薄，抵抗变形 刚石膜和钼基体脱离的主要原因是由于金刚石 的能力差，在前面的计算中可以看出，在金刚石 膜与钼片之间的剪应力造成的， 膜和钼片在冷却的过程中发生弯曲变形，这就 从图5(a)和(b)中，可以明显地看出，金刚石 会在金刚石膜中产生应力. 膜与钼界面处周向应力很大部分是反向，说明 图7表示金刚石膜在从钼基底上脱离下来 界面处应力变化大.钼片中受到较大的拉应力. 以后的Raman谱，这时金刚石膜中的热应力基 这在实验观察中也可发现，钼片表面有许多裂 本已经释放完，峰的位置在1332cm',表明在 纹，金刚石膜的底面也容易形成裂纹， 冷却过程中热应力起主要作用.Raman谱对金
一 1 5 4 - 北 京 科 技 大 学 学 报 20 0 0 年 第 2 期 0 . 8 0 0 . 7 5 0 . 7 0 (b) 气一 O 亡飞ù 0 r o /Où I à、 ó on0 ù nU 口、月db ( a ) … 口、目db 检 问距离 /c m 径 向距 离 /c m 图 3 径 向应 力分 布 , (a) 金 刚石膜 中 , (b) 相 片中 的靠近 金 刚石膜 部 分 F ig . 3 T h e d i s t r i b u t i o n o f r a d i a l s t er s s . ( a )D i a m o n d , ( b ) M o s u b s t r a t e n e a r d i a m o n d 0 . 0 5 一 0 . 0 5 一 0 . 10 2 3 4 5 (b ) _ . 口、d戈b 二 口、d ó 径 向距 离 c/ m 径 向跄离 c/ m 图 4 轴 向应 力 分布 , (a) 金刚 石膜 中 , (b) 钥 片 中的靠 近 金刚 石膜部 分 F i g . 4 T h e d i s t r i b u t i o n o f a x i a l s t er s s . ( a )D i a m o n d , ( b )M o s u b s t r a t e n e a r d i a m o n d (b) _ . 二 … 口、d招b 2 3 4 5 径 向距 离 c/ m 径 向距离 c/ m 图 5 周 向应 力分布 , (a) 金刚 石膜 , (b) 相 片 中的靠近 金 刚石膜 部分 F ig · 5 T h e d i s t r ib u t i o n o f e i r c u l a r s t er e . ( a ) D i a m o n d , (b ) M o s u b s t r a t e n e a r d i a m o n d 从 图 3 (a) 中可 看 出 , 金 刚石膜 中普遍 在径 向受压 应力 ; 从图 3 (b) 中可 看 出 , 铝片 中普 遍受 拉应 力 . 金刚 石膜 中的最 大压应力 约 4 G P a , 铝 片 中的最大拉应力约 7 70 M P a . 这说 明金刚 石膜 在 冷却 过程 中很容 易炸膜 . 从 图 4 (a) 和 (b) 中可 看 出 , 金 刚 石膜和 铝 片 中沿轴线方 向大都 是压应 力 . 因此 , 可 以推断金 刚 石膜和 钥基体脱 离的主 要 原因 是 由于 金刚石 膜与铝 片之 间 的剪应力 造 成 的 . 从 图 5 a( )和 (b) 中 , 可 以 明显 地看 出 , 金 刚 石 膜与铝 界面处周 向应力很 大部分 是反 向 , 说 明 界面处 应力变化大 . 铝 片 中受到 较大 的拉应力 . 这在 实验 观察 中也 可发现 , 铝 片表 面有许 多裂 纹 , 金 刚石 膜 的底面 也 容 易形 成裂纹 . 3 金 刚石膜 中应 力的实验 分析 我 们 对 金 刚石 膜 中 的应 力进 行 了实 验 分 析 . 图 6 为金 刚石膜 的断 口 形貌 , 可看 出 穿晶 断 裂 比较多 . 金刚 石膜 的 生长 随着 时 间 的延 长 , 晶 粒越来 越粗大 . 60 m m 的样 品 , 长 到 几 百 娜 的 时候容易 断裂 , 这 时 金刚石 膜 比较薄 , 抵抗变形 的能力差 . 在前面 的计算 中可 以看 出 , 在金 刚石 膜和 铝 片在冷却 的 过程 中发 生 弯 曲变形 , 这 就 会在金 刚 石膜 中产 生 应力 . 图 7 表示金 刚石 膜在从 铝基底上 脱离下 来 以后 的 R a m an 谱 , 这 时 金 刚 石膜 中的热应 力基 本 已 经释放 完 , 峰的位置 在 1 3犯 c m 一 , , 表 明 在 冷却 过程 中热应力起 主 要 作用 . R am an 谱对 金
Vol.22 No.2 黄天斌等：大面积金刚石膜沉积过程的热应力分析 .155. 刚石膜表征，其金刚石特征峰的位置相对于标准 图8表示一个样品中心的Raman峰的位置， 峰有一个偏移.根据此偏移可以计算出金刚石膜图9表示一个样品边缘的Rama肌峰的位置.样 中的应力.这是通用的金刚石膜内应力的测试方 品中心的Raman峰的偏移大一些，说明应力也 法. 大一些，这和计算的结果是一致的 6 3 110120130140150160170 图6金刚石膜断口的电镜照片 /nm Fig.6 SEM of diamond fracture 图7无村底金刚石膜的Ramn谱 Fig.7 Raman spectrim of free standing diamond films 5.5 5.0 5.0 4.5 4.5 4.0 3.5 4.0 3.0 35 2.5 3.0 2.0 131132133134 135136 130131132133134135136 /nm /nm 图8样品的中心的Ramn峰的位置 图9样品的边缘的Raman峰的位置 Fig.8 Raman peak in the centre of sample Fig.9 Raman peak in the edge of sample 4结论 参考文献 I Spear K E.Diamond-ceramic Coating ofthe Future.J Am 在金刚石膜的生长过程中，有许多不稳定 Ceram Soc.1989,72(2):171 的环境因素，引起金刚石膜的热应力，金刚石膜 2 Ivan A Martorell.Gas Recyeling and Flow Control for Cost 的热应力是影响金刚石膜炸膜的主要因素，金 Reduction of Diamond Films Deposited by DC arc-jet. 刚石膜中的热应力沿径向分布是不均匀的，中 Diamond and Related Materials.1999.8(8):29 间比边上的大，主要是压应力，其值很大，容易 3 Marcus Asmann.A Review of Diamond CVD Utilizing 引起金刚石膜的炸裂.金刚石膜与钼界面的应 Halogenated Precursors.Diamond and related materials, 1999,811 力，容易引起金刚石膜底面和钼表面形成裂纹， Thermal Stress Analysis of Large Area Diamond Films HUANG Tianbin,LIU Jingming.TANG Weizhong,TONG Yumei,YU wenxiu,LU Fanxiu Materials Science and Engineering School.UST Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The distribution of the thermal stress of large area diamond films is given by applying the ac- tual boundary condition.and it is checked by experiments.The result is that the thermal stress of large area diamond films is not uniform.the thermal stress in the middle of large area diamond films is lager than that in the edge of large area diamond films,the press stress is the mainly part of the thermal stress.The crack of diamond films is mainly duo to the large press stress. KEY WORDS large area diamond films;the thermal stress;numerical calculation