激光技术在金刚石加工中的研究及应用进展

激光加工是目前金刚石的主流加工方法,相较于传统的机械加工形式,激光加工精度高、效率高、普适性强,因而在金刚石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到广泛应用。文中阐述了金刚石激光加工原理,介绍了不同类型激光与金刚石材料相互作用机制,重点总结了近几年多种激光加工金刚石模式的发展现状,分析了新型的激光加工方法的特点,探讨了现阶段激光技术在金刚石加工领域面临的问题、挑战及未来的发展趋势。

智能化数据处理技术在水文地质探测中的应用研究

文章全面探索了智能化数据处理技术在水文地质探测领域的应用,重点阐述智能化技术在水文地质探测中的多方面应用,包括数据收集和整理的智能化方法、智能算法在数据解析中的应用、预测模型和风险评估的智能化处理,以及数据可视化和结果解释的创新技术。

利用Ti/Ag中间层实现金刚石与GaN的室温键合

目的为了实现金刚石与GaN的良好键合,利用Ti/Ag中间层,在室温下开展了多晶金刚石与GaN的键合技术研究。方法首先,分别在抛光自支撑多晶金刚石晶圆以及GaN晶圆表面,通过磁控溅射依次沉积Ti黏附层、Ti/Ag梯度层以及纳米Ag层,形成Ti/Ag过渡层复合结构。然后通过真空键合系统成功实现了金刚石与Ga N键合。通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)以及X射线光电子能谱(XPS)等表征手段,对键合前后样品表面进行形貌及结构分析;通过超声扫描显微镜(SAM),以及拉伸力学测试系统,对键合后的键合率以及键合强度进行评价。结果借助Ti/Ag中间层进行键合,对晶圆表面的粗糙度具有较高容忍度,且在常温下即能实现良好键合,室温键合率达到95.5%。通过拉伸强度测试可知,键合强度达到13.7MPa。结论Ag纳米颗粒高的表面活性是实现键合界面常温融合的关键,而Ti底层良好的附着特性,Ti/Ag梯度层的引入以及Ti与Ag之间通过扩散反应形成的金属间化合物,则是提高金刚石与GaN键合强度的关键因素。

热管理用3英寸硅衬底金刚石薄膜的制备

金刚石膜材料用作GaN电子器件散热器具有巨大潜力,低应力、大尺寸、高质量、原子级光滑表面的金刚石膜层是GaN器件的整体传热能力提升的关键。本研究提出了一种用于3英寸(1英寸=2.54 cm)硅衬底多晶金刚石薄膜的生长和晶圆级抛光技术,用以实现大尺寸金刚石膜材料在散热器方向上的应用。首先对微波谐振腔内的等离子体进行多物理场自洽建模,通过仿真模拟技术分析2.45 GHz多模椭球谐振腔微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)装置沉积大尺寸金刚石薄膜的可行性,并优化生长工艺参数。然后对金刚石薄膜进行研磨抛光处理,以满足GaN器件的键合需求。模拟结果表明,输入相同的微波功率,腔室压强增大导致等离子核心电子和原子H数密度增加,但径向分布均匀性变差。在优化的工艺条件下沉积了金刚薄膜。实验结果表明,金刚石薄膜厚度不均匀性为17%。较高的甲烷浓度导致金刚石晶粒呈现以(111)晶面为主的金字塔形貌特征,并伴有孪晶的生成。Raman光谱中金刚石一阶特征峰半峰全宽(Full width at half maximum,FWHM)为7.4 cm^(−1)。抛光后表面粗糙度达到0.27 nm,硅衬底金刚石薄膜平均弯曲度为13.84μm,平均内应力为−40.7 MPa。采用上述方法,成功制备了大尺寸、较高晶体质量、低内应力、原子级光滑表面的硅衬底金刚石晶圆。

Effect of surface modification on the radiation stability of diamond ohmic contacts

The ohmic contact interface between diamond and metal is essential for the application of diamond detectors.Surface modification can significantly affect the contact performance and eliminate the interface polarization effect.However,the radiation stability of a diamond detector is also sensitive to surface modification.In this work,the influence of surface modification technology on a diamond ohmic contact under high-energy radiation was investigated.Before radiation,the specific contact resistivities(ρc)between Ti/Pt/Au-hydrogen-terminated diamond(H-diamond)and Ti/Pt/Au-oxygenterminated diamond(O-diamond)were 2.0×10^(-4)W·cm^(2) and 4.3×10^(-3)Wcm^(2),respectively.After 10 MeV electron radiation,the ρc of Ti/Pt/Au H-diamond and Ti/Pt/Au O-diamond were 5.3×10^(-3)W·cm^(2)and 9.1×10^(-3)W·cm^(2),respectively.The rates of change of ρc of H-diamond and O-diamond after radiation were 2550%and 112%,respectively.The electron radiation promotes bond reconstruction of the diamond surface,resulting in an increase in ρc.

基于复合过渡层的DLC涂层残余热应力仿真分析

利用ANSYS软件热固耦合模块对类金刚石(DLC)涂层的残余热应力进行有限元分析,模拟等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备DLC涂层从沉积温度150℃降温至22℃的过程,研究不同DLC厚度、过渡层(Cr、WC)结构及过渡层厚度对DLC涂层残余热应力的大小及应力分布的影响。结果表明:无论是DLC涂层厚度还是复合过渡层厚度的增大都有利于降低DLC涂层的热应力,但两者都具有临界最优值。较无过渡层的DLC涂层而言,过渡层WC、Cr层的单独存在都可降低DLC涂层的热应力,且WC层厚度变化的影响更明显。采用Cr/WC复合梯度过渡层结构设计,可进一步降低基底与DLC涂层之间的热膨胀系数过渡梯度,从而更有效地降低DLC涂层的热应力。

大尺寸金刚石晶圆复制技术研究进展

半导体技术的发展离不开大尺寸晶圆的高效制备。在半导体领域,晶圆复制可以通过同质外延生长后进行切割或者基于异质衬底进行异质外延来实现,从而批量生产。金刚石作为新型超宽禁带半导体材料,在电真空器件、高频高功率固态电子器件方面具有良好的应用前景。而由于金刚石材料具有极高硬度,晶圆复制也面临诸多问题。传统的激光切割方法虽然可以实现对超硬特性金刚石进行加工,但其较高的加工损耗已经无法满足大尺寸晶圆的制备需求,亟需开发损耗小、效率高的金刚石晶圆复制技术。文章介绍了目前常见的半导体晶圆复制技术,总结了金刚石复制技术的研究进展及现阶段发展水平,并对未来大尺寸金刚石晶圆复制技术的发展方向进行了分析与展望。

自支撑金刚石膜的生长特征对断裂强度的影响

研究了自支撑今刚石膜的生长取向特征、表面形貌和质量对断裂强度的影响。X射线衍射和断裂强度的结果表明,随着衍射强度比值I(111)/I(220)的增大,断裂强度呈下降趋势。堆积在晶粒间界处的二次形核生长的小晶粒,覆盖晶粒间界的缝隙,在柱状晶粒间形成类似的搭桥效应,增强柱状晶之间的相互作用能,提高柱状晶结构的抗破断能力,金刚石膜中出现的非金刚石相将降低金刚石厚膜的断裂强度。

抛光对化学气相沉积金刚石自支撑膜断裂强度的影响

研究了抛光对化学气相沉积金刚石自支撑膜断裂强度的影响。结果表明,金刚石自支撑膜粗糙表面所带来的V形缺口会降低其断裂强度,而且随着膜厚的增加,降低的程度越明显,通过抛光粗糙表面,消除了V形缺口对断裂强度的影响,有利于提高金刚石膜的抗破坏能力。提出了一种金刚石膜断裂强度的经验计算方法,获得的断裂强度值更接近于金刚石膜的本征断裂强度。

金刚石自支撑膜拉曼光谱1420cm^(-1)特征峰研究

采用带有半封闭式气体循环系统的100千瓦级直流电弧等离子体喷射CVD设备制备三组不同质量的金刚石膜,通过532 nm激光激发金刚石膜的拉曼光谱时,除1332 cm-1金刚石一阶拉曼峰外还出现了1420 cm-1宽峰,本文针对这一峰位的由来及分布进行研究。结果表明,增加或降低拉曼激发波长该峰为都不复存在,不符合材料的拉曼特征频移与激发波长无关这一原则,证明其并非本征拉曼峰;采用488 nm激发和514 nm激发时拉曼光谱分别出现了与1420 cm-1峰型一致的3125 cm-1和2060 cm-1峰,将拉曼频移转换为波长后发现,三个峰位都对应于波长575 nm(2.156e V);575 nm为金刚石膜荧光光谱中常见峰位,对应于氮杂质相关的[N-V]0中心,这表明含氮杂质金刚石膜采用532nm激发时产生的1420 cm-1峰是[N-V]0相关的氮杂质引起的荧光峰;采用532 nm对金刚石膜形核面和生长面的拉曼面扫描结果表明,[N-V]0相关的氮杂质存在于金刚石膜表面晶粒与晶界各处,并存在一定程度的偏聚。

金刚石自支撑膜的高温红外透过性能

由于金刚石具有低吸收和优异的力学与导热性能使其成为长波(8~12μm)红外光学窗口材料的重要选择。对于许多极端条件的应用,化学气相沉积(CVD)金刚石自支撑膜的高温光学性质至关重要。应用直流电弧等离子喷射法制备光学级金刚石自支撑膜进行变化温度的红外光学透过性能研究,采用光学显微镜、X射线衍射、激光拉曼和傅里叶变换红外-拉曼光谱仪检测CVD金刚石膜的表面形貌、结构特征和红外光学性能。结果表明:在27℃时金刚石膜长波红外8~12μm之间的平均透过率达到65.95%,在500℃时8~12μm处的平均透过率为52.5%。透过率下降可分为3个阶段。对应于透过率随温度的下降,金刚石膜的吸收系数随温度的升高而增加。金刚石自支撑膜表面状态的变化,对金刚石膜光学性能的影响显著大于内部结构的影响。

基于聚焦离子束技术制备金刚石/M(M=Cu,Al,AlN)双相复合材料HRTEM样品

分别以金刚石/Cu,金刚石/Al,金刚石/Al N等双相复合材料为研究对象,应用聚焦离子束(FIB)场发射扫描双束电镜,成功制备了含双相及界面结构的高分辨透射电镜(HRTEM)样品,并减小了Ga离子的非晶损伤层。HRTEM成功观测到金刚石与不同材料复合时的晶体共格/半共格/非共格关系,为进一步研究金刚石双相复合材料的界面成分和晶体结构奠定了基础。

CVD金刚石膜与常用红外光学材料抗砂蚀性能对比研究

目的通过分析CVD金刚石膜与几种常用红外光学窗口材料在砂蚀过程中形貌特征以及红外透过率的变化规律,获得CVD金刚石膜在砂蚀过程中的材料去除机制及抗砂蚀性能的关键因素。方法采用喷射式冲蚀磨损系统,对CVD金刚石膜及其他几种常见红外光学材料进行砂蚀性能测试。通过扫描电子显微镜对材料冲蚀后表面形貌进行观察,电子天平测量红外材料砂蚀率。采用红外光谱仪对砂蚀前后红外光学材料进行测量,评价其冲蚀前后的红外性能变化。结果 CVD金刚石膜抗砂蚀能力远高于Ge、ZnS、MgF_2以及石英玻璃。在设定测试条件下,仅经过6 s冲蚀,除CVD金刚石膜外,其余光学材料的红外透过性能下降40%~60%。而CVD金刚石经受240 min的相同条件冲蚀,其红外透过率仅下降9.5%,显示出极佳的抗砂蚀能力。结论 CVD金刚石膜的冲蚀过程主要是微裂纹形成及扩张连接导致材料流失。其他材料的冲蚀过程既有裂纹扩展,也有反复的切削、犁削,而后者是这些材料被冲蚀的主要原因。

基于硅过渡层纳米金刚石膜/GaN复合膜系的制备（英文）

本文研发了一种简便有效的在GaN半导体衬底上直接生长纳米金刚石膜的方法。研究发现,直接将GaN衬底暴露于氢等离子体中5 min即发生分解,且随着温度从560℃升高至680℃,这种分解反应愈加剧烈,很难在GaN衬底上直接形成结合力良好的纳米金刚石膜。通过在GaN衬底上镀制几纳米厚的硅过渡层,在富氢金刚石生长环境下,抑制了GaN衬底的分解,同时在GaN衬底上沉积了约2μm厚的纳米金刚石膜。硅过渡层厚度是决定纳米金刚石与GaN衬底结合力的主要因素。当硅过渡层厚度为10 nm时,纳米金刚石膜与GaN衬底呈现出大于10 N的结合力,可能与硅过渡层在金刚石生长过程中向SiC过渡层转变有关。

非对称双极脉冲反应磁控溅射制备TiN/NbN多层膜

采用非对称双极脉冲磁控溅射制备了一系列不同调制周期的TiN/NbN纳米多层膜,利用X射线衍射分析(XRD)、纳米压痕仪、扫描电子显微镜(SEM)表征了薄膜的微观结构、力学性能和断口形貌。结果表明,在调制周期为19.86nm时,纳米压痕硬度达到43GPa。利用三点弯曲法形成裂纹的扩展,并观察到了裂纹的偏转特征。

基于FLUENT软件直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征二维数值模拟

直流电弧等离子体喷射法制备金刚石膜的过程中氩气主要起维持电弧放电作用,在一定程度上保证电弧放电的稳定性。本文利用自定义标量和自定义函数技术对FLUENT软件进行二次开发,在动量和能量守恒方程中添加相应电磁源项。对纯氩直流电弧等离子放电特征进行二维数值模拟,并经过实验验证后最终得到等离子体放电区域的温度、焦耳热、电流密度和速度等分布。模拟结果表明气压为1000 Pa工作电流为100 A条件下：氩等离子体最高温度和最大速度达到11000K和340 m/s,且均出现在阴极尖端位置附近;较强的外侧气流使阳极斑点稳定维持在阳极内侧下边缘位置,其附近等离子体温度在9000 K左右;基体表面附近等离子体温度受到焦耳热分布和阴极高温射流共同作用,维持在3000～4000 K。

高频大功率金刚石薄膜场效应管的研究进展

随着CVD人工合成金刚石薄膜质量的不断提高,其优异的电学性能在高频、大功率领域特别是场效应管中的应用受到了极大地关注.制作金刚石薄膜场效应管,电子级质量的薄膜、形成良好的接触以及半导体的形成是其关键技术.以此为基础,为达到其在高频大功率下使用的目的,减小栅长和各种寄生参数以及提高耐压和散热能力成为决定其性能优劣的关键因素.本文针对金刚石薄膜场效应管制作的关键技术的突破、H端基表面导电机制、目前高频大功率场效应管的水平以及出现的一些相关在研热点进行了综述,展望了其巨大的优越性和广阔的应用前景.

金刚石自支撑膜衬底生长立方Y_2O_3薄膜的性能

采用射频磁控溅射法在抛光的CVD金刚石膜上制备了立方(222)择优取向的Y2O3薄膜,利用XRD,纳米力学探针,划痕仪,FTIR和TEM等手段研究了退火对Y2O3薄膜的结构、力学性能和红外透过率的影响及Y2O3的微观结构。结果表明:通过退火Y2O3薄膜的结晶程度增加,退火后的择优取向仍为立方相(222)晶面结构;薄膜的硬度降低而弹性模量升高,薄膜与金刚石的结合力增加;薄膜的红外透过率略有降低;薄膜为柱状晶结构并存在大量非晶态。

直流电弧等离子体区域电弧分布特征对自支撑金刚石膜性质的影响

直流电弧等离子体喷射法制备自支撑金刚石膜时,电弧区域可分为弧心、弧干和弧边三个区域。本文运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光Raman光谱、正电子湮没寿命谱(PAL)和力学性能实验机研究了同一块自支撑金刚石膜不同区域的生长面形貌、晶体取向、内应力、空位缺陷和断裂强度。结果表明:随着与直流电弧等离子体弧心距离增加金刚石膜生长更稳定,(220)取向晶粒减少,平均空位缺陷减少,内应力和断裂强度呈现先增大后减小的趋势。

立方Y_2O_3薄膜结构、力学及光学性能的研究

采用射频磁控溅射法在本征（100）Si片上和CVD金刚石膜上制备了立方（222）择优取向的Y2O3薄膜，应用AFM观察薄膜的三维形貌表明薄膜表面晶粒致密，缺陷较少，表面粗糙度为8．7nm；TEM表征薄膜微观结构，表明薄膜为柱状晶结构，柱状晶宽度10～20nm，而且晶界明显，部分较大晶粒中存在些许位错缺陷；纳米力学探针和划痕仪表征薄膜的力学性能，表明薄膜硬度为20．73GPa，弹性模量为227．5GPa，可作为金刚石膜的抗氧化保护膜，并且与金刚石膜的结合较好，结合力约为5N；FTIR对薄膜的光学性能进行分析，表明双面立方Y20，薄膜对金刚石膜的最大增透为23％，基本符合Y2O3的理论增透效果。