中國超硬材料合成裝備技術發展路徑綜述

劉建設, 汪曙光, 王良文, 謝貴重, 魯新如, 鐘順偉, 馮虎成

(1.百色學院,廣西 百色 533000; 2.河南黃河旋風股份有限公司,河南 長葛 461500;3.鄭州輕工業大學,河南 鄭州 450000; 4.許昌學院,河南 許昌 461000)

0 引言

超硬材料一般指的是金剛石和立方氮化硼。目前,國內超硬材料的生產合成裝備主要有兩種,一是利用高壓高溫靜態(HTHP)法,能生產金剛石和立方氮化硼的鉸鏈式六面頂壓機,二是利用低壓高溫化學氣相沉淀(CVD)法,能生產金剛石的CVD沉積爐。兩者技術原理與路徑相異,在生產應用中各具優勢并不構成替代關系。現以金剛石生產裝備為例,簡要說明當前超硬材料合成裝備技術的發展概況。

1 高溫高壓(HPHT)合成裝備

HPHT法合成金剛石是指模擬天然金剛石的生長環境,以石墨為碳源,在高溫高壓、金屬觸媒等生長環境中形成的等軸晶系晶質體。國內的高溫高壓合成設備一般指的是鉸鏈式六面頂超高壓高溫金剛石合成壓機(以下簡稱六面頂壓機),它是國內合成金剛石和立方氮化硼(cBN)等超硬材料的主力合成裝備,支撐著中國占比金剛石80%以上市場。六面頂壓機在人造金剛石單晶、磨料金剛石、立方氮化硼及復合片的合成中顯示出獨特的優勢,對適用HPHT法的功能材料也有著良好的應用前景[1]。

為了獲取更高品級、更高產量金剛石,60多年來也一直在對壓機裝備的大型化、精密化及智能化方面進行相關研究,取得了很大的進展。從第一臺缸徑Φ230mm壓機到現在的缸徑Φ800～Φ1 000 mm及以上缸徑的大型化壓機,從接觸器控制到現在的智能化控制,壓機裝備的自動化技術、液壓技術、設計制造工藝水平等日漸成熟[1,2]。

到目前為止,新投產的六面頂壓機缸徑大都在Φ850 mm左右,合成腔體直徑達到了Φ67 mm左右,按鉸鏈梁的成型方式主要分為鑄造和鍛造壓機兩種結構,數量基本相當,小缸徑壓機逐漸被淘汰(除在特異化產品用到小缸徑壓機外)。鍛造壓機除了鍛造件優于鑄造件的材料力學性能優勢外,鍛造壓機的結構更加緊促、簡化。由于鑄造技術及熱處理技術的局限性,今后大缸徑壓機,特別是缸徑在Φ1 000 mm及以上的壓機,將會以鍛造為主[3]。黃河旋風集團田中科美公司經過近20年對鍛造壓機的研究,在六面頂壓機的鉸鏈梁制造工藝、高精度高可靠性設計技術、智能自動控制技術等方面取得了系列創新性成果,將六面頂裝備技術提升到更高水平。同樣有些技術也能用于鑄造壓機當中。

1.1 六面頂智能壓機鉸鏈梁整體鍛造結構與制造新工藝

1.1.1 缸梁一體的鉸鏈梁整體鍛造結構

由于傳統六面頂壓機梁+油缸+活塞結構中,油缸與梁、油缸與活塞的配合間隙會影響六面頂壓機的對中性能,提出了新型鏈梁整體鍛造結構(梁+活塞),由梁+油缸+活塞的配合優化成梁+活塞的配合,提高了六面頂壓機的對中性能。基于有限元法進行結構優化設計[4],提高了結構剛性,減少材料消耗20%以上(圖1)。

圖1 缸梁一體的鏈梁整體鍛造結構

1.1.2 模塊化鍛造模具與工藝設計技術

由于國內鑄造水平及熱處理工藝水平普遍不高,鑄件不可避免的存在氣孔、夾渣等鑄造缺陷,導致結構強度、疲勞強度低,設備使用壽命短,安全隱患大,嚴重制約六面頂壓機大型化發展。研發模塊化整體鍛造模具,鉸鏈梁結構整體一次鍛壓成型。建立鍛造成型過程的數值仿真模型,開發模塊化鍛造模具與工藝設計技術(圖2)。通過優化鍛造工藝參數與模擬鍛造過程,實現結構完整的金屬流線,優化了微觀組織結構,鉸鏈梁結構材料性能明顯提高。較同材料的鑄件結構,在110 MPa油壓壓力下,關鍵部件形變量比傳統鑄造結構減少近20%,抗拉強度提高30%～40%,使用壽命大大延長。

圖2 模塊化鍛造模具與工藝設計技術

1.2 六面頂智能壓機高精度高可靠性設計技術

1.2.1 基于零件公差的鍛造六面頂智能壓機加工精度定量預測方法

由于金剛石六面頂壓機裝備加工及裝配精度的影響因素眾多,裝備精度易波動,影響產品穩定性的難題,提出了一種基于零件公差的六面頂壓機加工精度定量預測方法。基于線性遞增函數與截斷的傅里葉級數疊加模型,構建了裝備零部件公差與幾何誤差源參數間的關系模型。基于多體系統運動學理論,建立了幾何誤差源參數與裝備加工與裝配精度的映射模型,形成了基于零件公差設計的裝備加工精度定量預測模型(圖3)。該方法簡化了精度預測過程,提高了預測效率,可以在壓機初始設計階段就能直觀地評價和預測壓機的對中精度,對中精度的預測值能占其設計要求值的89.67%,這是金剛石壓機精度設計理論的突破。

圖3 基于零件公差的六面頂壓機加工精度定量預測方法

1.2.2 數字驅動的六面頂壓機有限元分析模型

為了提高金剛石六面頂壓機的建模仿真精度,基于六面頂壓機裝備結構特性分析,開發了六面頂壓機裝備的參數化設計方法,建立參數化設計框架。融合多層次信息的數字建模方法,建立起裝備設計參數、運行參數、物理信息、關鍵零部件與整體結構關聯關系的模型。裝備的運行過程中涉及多物理場耦合,分析多物理場的數學、幾何模型構建與求解,實現裝備多物理場耦合的高精度建模。針對六面頂壓機裝備多物理場耦合建模要求,研究了影響溫度分布的關鍵因素;分析系統運行過程中關鍵結構部件或部位運動、受力特點,揭示了關鍵結構部件應力分布規律;分析系統合成腔模型組裝結構和物料屬性,揭示了合成腔體的溫度與壓力分布規律。建立了數字驅動的六面頂壓機有限元分析模型(圖4),對結構進行了優化創新,鉸鏈梁結構的質量減少了9.55%。

圖4 數字驅動的六面頂壓機有限元分析模型

1.2.3 基于邊界元法的壓機結構疲勞破壞分析方法

針對金剛石六面頂壓機鉸鏈梁結構在高溫高壓狀態下,受交變載荷作用易出現疲勞破壞現象,提出了一種基于邊界元法的疲勞破壞分析方法。針對疲勞破壞過程中的裂紋擴展問題,構造了新型邊界積分方程形式,開發了奇異積分自適應分割處理技術;構建了通用的三角形和四邊形裂尖單元;應力強度因子兩點插值方法,可實現鉸鏈梁結構應力的準確評估,其應力強度因子的計算誤差小于1.5%。進行壓機結構壽命預測的相關技術流程如圖5,該方法可以評估與預測設備疲勞破壞進程,指導設備正確使用,保持設備較長時段的高穩定性工作狀態。

圖5 基于邊界元法的結構疲勞破壞分析方法

1.3 六面頂智能壓機自動控制系統與技術

(1) 基于不同的腔體工藝,搭建數學模型對合成進行自動、模糊控制。在金剛石合成時,測控系統對環境溫度、頂錘位移、頂錘冷卻水溫、合成缸壓力、加熱參數等壓機參數實現在線檢測,并對數據實時收集分析處理,收集成數據湖,形成對合成腔體內的體積、壓力及溫度的實時模型的構建(圖6)。系統自動將工藝要求帶入控制系統預設的數學模型,同一臺壓機不同合成次數間現場環境的參數進行類比、不同壓機合成參數進行環比,匯算比較,優化出最佳控制參數,并實時自動調控液壓、加熱及冷卻水供給等裝置,達到利于金剛石、鉆石等超硬材料合成穩定、平衡腔體內的合成環境,最佳合成狀態。

圖6 金剛石壓機的智能自動控制系統

(2) 網絡信息化集成系統設計,實現操作、工藝設計及生產管理的高度集成及精益管控。利用串口、以太網等網絡化控制,將六面頂壓機的控制系統與操作終端、數據庫、服務器、生產管理、市場訂單等企業經營通過多級密鑰、口令等方式網絡“問詢式”通訊形式進行對接,實現多重網絡鏈接,優化控制系統的硬件架構,增強企業核心數據的保護。為企業管理及操作方便,開發了操作終端的多樣模式,實現通過手機、平板電腦、電腦等終端來操作和監控六面頂壓機控制系統的運行狀態。網絡信息化的實現,達到1人開多臺和多人監控1臺的效果,根據合成工藝需求編排來實現1人操作的臺數;網絡信息化的實現,對六面頂壓機快速優化工藝奠定了基礎,對六面頂壓機控制的關鍵參數進行實時檢測,收集、處理,并對過往工藝執行效果進行再現,進行比較分析,同時利用數學模型自動優化工藝設計;網絡信息化的實現,通過網絡實時顯現整個車間、企業的各項生產指標;網絡信息化的實現,系統自動對六面頂壓機各個部件工作狀態進行檢測及實時判定,并將異常狀態發送至生產管理人員等,提升壓機的維修率和開機率。

(3)金剛石壓機智能控制技術的執行部件架構優化。采用新型冷卻水控制裝置、液壓伺服控制裝置和新型加熱裝置,可對系統發出工藝指令進行實時接收并精準加以輸出,提升關鍵參數的精度,頂錘溫度控制精度控制在±0.5 ℃,壓力精度控制在0.05 MPa,壓機合成功率的控制精度達到0.01 kW。同時采用新型的卸壓控制裝置,實現卸壓可控,系統卸壓精度可達到0.01 MPa,為六面頂智能壓機合成大單晶金剛石的奠定了基礎。

1.4 金剛石壓機液壓技術

隨著液壓技術的不斷發展,六面頂壓機裝備的液壓控制方面也在不斷的發展。六面頂壓機的動力形式是通過液壓油推動活塞,在硬質合金頂錘的錘面形成超高壓。傳統的增壓方式是通過普通電機+柱塞泵+增壓器或者是通過普通電機+超高壓泵,這種增壓模式對壓力和流量的控制精度低,很難滿足有特殊要求的合成工藝。為了實現壓力及流量的精細化控制,伺服技術逐漸應用到液壓系統中。比如采用伺服電機+齒輪泵的方式補壓。壓力控制精度可控制到0.05 MPa。

六面頂壓機泄壓控制在一定程度上會影響設備運行的穩定性及合成產品的成品率。傳統的泄壓方式是球閥或者液控閥多級泄壓,但很難控制泄壓的速度,導致產品良率低。新的泄壓方式采用步進或伺服電機+專用的泄壓閥件,通過電機控制閥芯,可實現高精度線性泄壓,泄壓精度可達到0.01 MPa,大大提高了設備運行的穩定性和產品良率。

比例閥的應用,提高了液壓系統的控制精度。比如采用比例溢流閥可實現系統壓力的精確控制,比例節流閥可實現流量的精確控制等。

2 化學氣相沉積(CVD)裝置

CVD法主要是通過含有碳元素的揮發性化合物與其他氣相物質的化學反應,產生非揮發性的固相物質,并使之以原子態沉積在置于適當位置的襯底上,從而形成所要求的材料。

20世紀50年代末,前蘇聯科學院物理化學研究所和美國聯合碳化物公司用簡單熱分解化學氣相沉積法(CVD)合成金剛石分別獲得成功。20世紀80年代初,日本國立無機材料研究所完善了前人的研究方法,發展了熱絲化學氣相沉積、微波等離子體化學氣相沉積等多種低壓化學氣相法,并在多種非金剛石基底表面上生長出了品質優良的多晶金剛石涂層,從而使低壓氣相生長金剛石技術取得了突破性的進展,在全世界掀起了CVD方法合成金剛石薄膜的研究熱潮[5]。CVD法目前已成功地發展了許多種,其中最常用的如熱絲CVD法、直流電弧等離子體CVD法、微波等離子體CVD法等。各種CVD法沉積金剛石膜的基本原理是相同的,都是利用高度激發的包含有活性氫原子和含碳基團的反應氣體在襯底表面的不斷置換來實現金剛石相的沉積,同時抑制非金剛石相(如石墨)的生成。各種方法的不同之處在于它們采用的氣體激活方式有所不同[6]。

2.1 熱絲法(HFCVD)

HFCVD法是目前沉積金剛石涂層應用較為成熟的一種方法。在HFCVD方法中,安裝在沉積室中基片上方的熱絲被用來熱解由CH4、H2組成的反應氣體。熱絲材料常采用鉭、鎢、鉬等高熔點金屬制作,用直流或交流電源來加熱,熱絲的溫度在2 000～2 400 ℃之間。熱絲除了使反應氣體熱解之外,還起著加熱基片的作用。HFCVD法的沉積裝置原理如圖7所示[7]。

圖7 HFCVD法金剛石膜沉積裝置示意圖

HFCVD法沉積金剛石涂層的設備低廉、操作相對簡單,能夠制備大面積金剛石涂層。但是HFCVD法的缺點主要有：在沉積金剛石涂層時,熱絲對氣體的激發程度不高,而且熱絲本身還會對金剛石膜形成污染;通過控制燈絲的長度和根數制備面積較大的金剛石膜時,燈絲在加熱工作時容易變形,進而導致沉積的薄膜均勻性變差;熱絲壽命較短,不適合長時間的運行沉積厚膜樣品。

HFCVD法一直受到廣泛的重視,目前主要在商業化金剛石薄膜涂層工具和BDD電極生產制備的主要方法。如Condias GmbH公司、CSEM公司、元素6公司等生產的涂層工具及BDD電極產品均是利用HFCVD法制備[8]。

在我國,熱絲CVD法金剛石膜生長技術已經獲得了應用,其最具代表性的就是吉林大學和北京人工晶體研究院的熱絲CVD法金剛石膜沉積技術。吉林大學鄒廣田教授于1986年自行設計研制了國內第一臺熱燈絲CVD金剛石薄膜制備裝置,并在1987年4月合成了我國第一片CVD金剛石薄膜,填補了國內空白,在863計劃持續資助下,后期研制出電子增強熱絲CVD設備并用該法制備出了大尺寸高導熱金剛石厚膜。北京人工晶體研究院在“七五-九五”計劃期間一直是國家"863"計劃重點資助單位,主要承擔熱絲CVD金剛石工具應用的產業化關鍵技術研究。多年以來已研制了實用化高速度、大面積熱絲法CVD金剛石厚膜生長技術和設備并具備產業化的能力。由人工晶體研究院控股的北京天地超硬材料股份有限公司,多年來完成了多種金剛石膜工具產品研究和市場開發。研發了五個門類金剛石膜工具的產品技術,它包括金剛石膜刀具、金剛石膜拉絲模工具、金剛石膜砂輪修整工具、金剛石膜耐磨部件以及金剛石膜光學加工工具等[9]。

2.2 直流電弧等離子體噴射法

直流電弧等離子體噴射法(DC Arc-jet Plasma CVD)是通過高功率直流電弧放電,將以CH4-H2-Ar為主要成分的反應氣體激發形成等離子體,并將其高速噴射到襯底表面后沉積形成金剛石膜。裝置的示意圖如圖8所示。在高功率的直流電弧放電過程中,反應氣體被充分電離,使得等離子體密度和各種活性基團密度很高,這極大地提升了金剛石膜的沉積速率,通常可以達到數十微米每小時。但是,直流電弧等離子體噴射法存在著因電弧的點火及熄滅而對襯底和金剛石膜的熱沖擊較大、易造成金剛石膜從基片上脫落的缺點。另外,這種方法還具有需要消耗大量反應氣體的缺點。

圖8 直流電弧等離子體噴射法金剛石膜沉積裝置的示意圖

DC Arc Plasma Jet法的難點在于其需要消耗大量的氣體。為解決這一難題,可采取一種將大部分氣體循環再利用的技術,降低氣體的使用量。但這樣做的結果會使金剛石膜中含有的雜質增加,使金剛石膜的質量難于提高。反之,若不循環利用大部分的氣體,則一方面金剛石膜的制備成本太高,另外一方面氣體的消耗量太大,造成金剛石膜的沉積過程難于控制。

DC Arc Plasma jet CVD法沉積金剛石的技術目前發展也比較完善,主要特點是沉積速度快,該法制備的金剛石膜的品質接近MPCVD法,最大沉積面積可達直徑150 mm。國外的Westinghouse Electric, SP3等機構擁有此項技術。1999年,美國的Norton公司利用高功率直流電弧等離子體噴射技術實現了大面積(直徑可達175 mm)、高品質金剛石膜的沉積。但是,由于Norton公司使用高功率直流電弧等離子體噴射技術來制備金剛石膜,其氣體耗費量極大,因而金剛石膜的制造成本很高。該原因導致Norton公司在2004年停止了其金剛石膜制備部門的運營。在國內,北京科技大學和河北科學院聯合開發并完善了該項技術,目前已經實現產業化,并在國際上占有了一席之地[10]。北京科技大學從1988年開始研究起步,從1991年開始和河北省科學院緊密合作進行DC Arc Plasma Jet設備和工藝研究。在863計劃“八五”重大關鍵技術項目支持下,于1995年底建成了100千瓦級DC Arc Plasma Jet CVD系統,于1996年初通過國家科委組織的專家鑒定。在863計劃“95”重大項目支持下,于1997年底國內首次制備出光學級(透明)金剛石膜[11]。北科大采用高功率DC Arc Plasma Jet CVD系統制備大面積光學級金剛石自支撐膜迄今為止仍是國內外唯一成功案例。研究組已在國內外學術刊物發表相關研究論文300余篇,獲得專利20多項。曾獲北京市科技進步二等獎和全國發明展覽會金獎。近年來,已經有上百臺套DC Arc Plasma Jet CVD系統在大專院校,研究院所和企業運行,已經成為CVD金剛石膜研究和工業生產的主要技術之一。由此也確立了高功率直流電弧等離子噴射法作為制備金剛石膜材料重要的方法之一的地位。目前,我國利用直流電弧等離子體噴射技術制備的金剛石膜無論從質量上還是在面積上,與國外同方法制備的金剛石膜相比,已處于先進水平,而相關的金剛石膜產品也已作為超硬工具材料批量進入了國際市場[12]。

2.3 MPCVD法金剛石膜沉積技術

在各種產生等離子體的方法之中,微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)方法依靠微波產生的極高頻率的電磁振蕩,使工作氣體分子發生相互碰撞,進而激發與維持其等離子體的。這種方法具有產生的等離子體密度高、可控制性好、無放電電極污染等優點,而這三點對制備高品質的金剛石膜都是極端重要的。

圖9為微波等離子體法金剛石膜沉積裝置的示意圖。由微波源產生的微波經波導管傳輸至模式轉換器轉換或者直接耦合進諧振腔后,在基片上方中心處聚焦形成強電磁場。諧振腔和介質窗口組成的真空反應室中的反應氣體在強電磁場的作用下激發產生等離子體,進而實現金剛石膜的沉積。

圖9 MPCVD法金剛石膜沉積裝置示意圖

與熱絲法相比較,微波等離子體法避免了因熱金屬絲蒸發而對金剛石薄膜的污染;與直流電弧等離子體噴射法相比,微波等離子體法中的微波輸入功率可以連續平穩調節,使得沉積溫度可連續穩定變化,克服了直流電弧法中因電弧的點火及熄滅而對襯底和金剛石膜的巨大熱沖擊所造成的金剛石膜很容易從基片上脫落的缺點;另外微波等離子體法可以在沉積腔中產生既大面積而又穩定的等離子體球, 有利于大面積、均勻地沉積金剛石膜。由此可以看出,微波等離子體法在所有金剛石薄膜制備方法中具有十分突出的優越性, 微波等離子體法被認為是高速率、高質量、大面積沉積金剛石膜的首選方法。

在MPCVD技術中,主要用到的是2.45 GHz和915 MHz兩種頻率的微波能。頻率由2.45 GHz降低到915 MHz,微波波長增加,可以使駐波腔截面積增大,等離子球體積增大,從而使得金剛石在基片臺上的沉積區域大大增加。一般2.45 GHz頻率的MPCVD微波功率相對較小,一般不超過10 kW (現在正向15 kW微波功率發展),而使用915 MHz頻率的MPCVD裝置,可以大大提高饋入腔體的微波功率,達75 kW甚至100 kW,20世紀末期,Fraunhofer IAF公司的Füner M等設計出功率為60 kW、915 MHz頻率的橢球形MPCVD裝置,Astex公司的Sevillano E等也于同一年將915 MHz頻率的MPCVD裝置的微波功率提升到了75 kW。目前,世界各先進工業國家都掌握了高功率MPCVD裝備技術。其2.45 GHz的MPCVD設備的功率水平一般處于6～8 kW水平。915 MHz的MPCVD設備的功率主要為30～75 kW的水平[13-17]。

在我國,早期高功率微波等離子體CVD金剛石膜沉積技術的發展卻相對緩慢。1993年,我國研制了800 W的石英鐘罩式MPCVD裝置。1997年,我國又研制了5 kW級的圓柱形諧振腔式的MPCVD裝置,但后者允許耦合進裝置的最大微波功率一直不超過3 kW,這造成使用該裝置時金剛石膜的生長速率較低,一般低于1 μm/h。早期,國內科研機構實驗室配備的MPCVD金剛石膜沉積裝置功率一般都在800～5 000 W (名義功率),存在著使用功率低、沉積面積小、生長速率慢、金剛石膜品質低的問題。

近10年,我國高功率MPCVD裝置的發展才有所起色,2012年武漢工程大學研制了一臺與Seki Technotron公司的非圓柱金屬多膜諧振腔式裝置類似的2.45 GHz 的MPCVD裝置,配備了10 kW的微波功率源,但是其報道的實際使用功率在5 000 W左右。2013年西南科技大學也報道了一臺類似的2.45 GHz 的MPCVD裝置,裝機功率也是10 kW。北京科技大學于2011年研制了國內第一臺2.45 GHz 可調諧式橢球形金屬諧振腔式MPCVD金剛石膜沉積裝置,該裝置可在7 kW功率下沉積3英寸光學級高品質金剛石膜。同期研制了一臺2.45 GHz 圓柱形TM021式的可調諧式MPCVD裝置,該裝置可在6 kW功率下穩定沉積3英寸光學級高品質金剛石膜。于2013年研制了一臺新型穹頂式MPCVD裝置。該實驗裝置配備有15 kW的微波電源,可以在接近10 kW微波功率下沉積3英寸光學級高品質金剛石膜[6]。

近年來,國內915 MHz MPCVD系統的研發工作取得了較大的進展,北京科技大學、武漢工程大學、太原理工大學等國內科研機構均設計研發成功了腔體結構不同的75 kW級的915 MHz MPCVD系統,并有高質量金剛石產品報導[14-17]。

值得指出的是,近年來隨著培育鉆石市場的興起,MPCVD裝置的產業化得到了快速發展,國內有十幾家可提供生長培育鉆石設備的MPCVD設備供應商,培育鉆石的商業化生產MPCVD設備主要為2.45 GHz 的MPCVD裝置,最大名義功率為5～6 kW,其中主要以深圳尤普來、上海鉑世光、成都穩正等為代表。

3 HPHT裝備和CVD裝備應用特點

HPHT合成金剛石已經實現工業化生產,在規模和質量上都取得了快速的發展,目前是工業金剛石主要合成方法,在培育鉆石市場也占有半壁江山。目前工具金剛石材料市場成熟發展,培育鉆石市場逐步擴大,金剛石的熱沉級和電化學應用市場初具規模,隨著金剛石功能應用開發,金剛石材料未來電子學、光學、量子學、生物學等方面具有巨大的潛在市場,這些應用中大面積、高質量純度的金剛石制備是關鍵,但是HPHT金剛石難于形成較大面積薄膜或片狀,物理化學性質也難于調節,從而限制了其應用范圍。而CVD法制備金剛石在大尺寸上有天然優勢,是未來金剛石功能化應用發展的主要制備方法。

在幾種方法中熱絲CVD由于燈絲污染和較低的生長速率限制了其應用范圍,目前主要應用于薄膜涂層工具及薄膜涂層電極等對金剛石質量要求不高的金剛石材料產品的制備。因此HFCVD設備未來在提高生長速率、提高金剛石涂層生長質量、擴大生長面積是研發主要方向。DC Arc Plasma jet CVD法目前主要包括工具級、熱沉級和光學級等不同的金剛石膜制備,由于其生長速率較高,可達每小時數十微米至數百微米,在生長金剛石厚膜產品具有獨特優勢。缺點和面臨問題主要是由于氣體的高速噴射,工藝控制難度大,此外沉積面積較小,金剛石膜厚均勻性較差等。未來改進方向主要是如何擴大生長面積,提高制備工藝穩定性、控制沉積金剛石膜的均勻性。從原理上來說,MPCVD法制備的金剛石純度最高,質量是最好的。近年來,70 kW以上915 MHz的MPCVD 技術的發展雖然取得了很大的突破,但高功率的微波設備是限制進入中國市場的,這主要是因為高質量的大面積金剛石厚膜制作成為窗口材料能夠應用于軍事、航空領域,作為導彈頭罩、光學紅外窗口等。因此未來高功率915 MHz的MPCVD設備技術研發仍是關鍵。盡管2.45 GHz的MPCVD設備技術相對成熟,但由于功率輸出限制,等離子密度不高,仍存在沉積速率低等缺陷,因此研究如何提高MPCVD設備的等離子密度是未來設備研發重點。而提高等離子體密度最簡單的方法就是提高生長時的氣壓和功率,氣壓和功率的提高對裝置的氣密性和冷卻能力以及等離子的穩定性都會提出更高要求,這需要研究設計特殊結構的諧振艙體滿足功率耦合要求。

4 結論

HPHT裝備技術日漸成熟,國內CVD設備相關技術發展較緩并且很多方面處在研發階段,其中MPCVD裝置發展最快,已基本形成產業化。合成裝備技術的不斷發展提升,為高質量高產能高端金剛石提供了良好的硬件基礎,提升了競爭力。