摘要

本文研究了氮化硅（氮化硅）基底的不同表面預處理（四種標準化學蝕刻和四種金剛石粉末磨刻(CVD)的效率。空白氮化硅樣品用膠體二氧化硅(0.25m)拋光。金剛石成核和生長運行在微波等離子體化學氣相沉積裝置中分別進行10min和6h。機械微缺陷樣品的成核密度(Nd1010cm-2在10min后)、薄膜均勻性和粒徑(6h后低于2um)的結果優越，表明化學蝕刻（冷熱強酸、熔融堿或四氟化碳等離子體）對氮化硅上良好的CVD金剛石質量并不重要。

介紹

氮化硅基陶瓷被認為是金剛石薄膜化學氣相沉積(CVD)生長的充分襯底 ，因為它們既硬又硬，最重要的是，它們表現出接近金剛石的熱膨脹系數。這最大限度地減少了薄膜和襯底之間的界面殘余應力，并確保了優越的附著力。氮化硅的其他優點是其滲碳性質和沒有催化石墨形成的相，就像硬金屬底物中發生的那樣。與傳統的碳化鎢-鈷工具材料一樣，必須研究Si3N4基體的表面預處理，以提供高的金剛石成核密度。

本工作的目的是系統地研究傳統的Si3N4化學蝕刻工藝和微蝕刻技術對CVD金剛石沉積在這種工具材料上的影響。比較了成核密度、均勻性和金剛石薄膜晶體尺寸。使用空白樣品進行自洽處理，通過用膠態二氧化硅拋光所有樣品來保證樣品的“惰性”表面，避免預處理程序前金剛石顆粒的存在。

實驗

機械預處理S1至US15后，樣品用乙醇/丙酮超聲浴沖洗，去除松散的金剛石顆粒。通過超聲波攪拌六烷中的金剛石粉末懸浮液，或簡單地通過金剛石濕刮擦，是一種非常常見的預處理，結合金剛石播種和增加基底比表面積。

金剛石沉積運行是在MPCVD儀器中進行的。沉積條件如下：微波功率，2.55kW；總壓力，1.2 104 Pa；H2/CH4fiow，400/24sccm。在短時間10min后進行成核研究。為了獲得完整的薄膜，我們進行了金剛石生長6h。掃描電子顯微鏡和后向散射組裝微拉曼研究報告成核密度、薄膜質量和殘余應力評價。

結果和討論

圖1(a)和(b)分別是金剛石10min成核和金剛石生長6小時后氮化硅拋光(NT)表面的代表性SEM鏡顯微圖。低密度的核隨機分布在氮化硅底物上，沒有證據表明底物相分布有優先位點。與其他報告相反，在甲烷引入反應器之前的初始H2蝕刻期不足以允許晶間玻璃相的首選攻擊。金剛石核的明亮外觀是由于電荷效應。金剛石沉積6h后(圖。1(b))10m平均大小，形狀良好的金剛石晶體，而不是完整的薄膜。

圖2(a)至(d)顯示了化學預處理樣品上的金剛石成核。對HA樣品的嚴重酸攻擊。2(a))去除了大部分的顆粒間相，并強烈氧化了氮化硅晶體，在表面形成一個白色的二氧化硅層，EDS分析證明了一個強烈的氧峰。二氧化硅具有非碳化的性質，阻礙了碳擴散到樣品中。因此，在氮化硅顆粒的表面沒有出現金剛石晶體。優先成核主要發生在晶界，在那里出現了最亮的晶體，盡管在一些氮化物晶體上存在晶核線，如圖所示。圖2(b)是室溫酸蝕刻材料(CA)上金剛石成核的圖片。至于HA樣品，這種化學處理包括氫氟酸，這是眾所周知的，其易于蝕刻玻璃，如這些陶瓷中存在的顆粒間相。

在機械預處理的樣品上沉積金剛石6小時后獲得的薄膜的掃描電鏡顯微照片如圖1和2所示。4(a–d)。這些膜之間的主要差異是平均金剛石粒度，其值是通過圖像分析從更高放大倍數的掃描電鏡顯微照片估計的。1米金剛石粉末濕磨樣品(S1)達到最小微晶尺寸(2米)，而最大微晶尺寸(5米)對應于15米金剛石超聲波磨損預處理(US15)。因此，對于給定的機械應用，最佳的金剛石膜顆粒尺寸可以通過刮擦預處理的金剛石砂粒尺寸來控制。后期預處理和15 m金剛石粉末濕磨預處理在晶體尺寸(略小于5 m)方面沒有很大區別，一旦微細化效果應該在相同的數量級左右，這也解釋了金剛石密度的接近值。另一方面，使用更小的1 m金剛石粉末的機械處理導致更多的劃痕和更高的金剛石沉積反應表面積。機械作用的類型是不可忽略的，因為它決定了所涉及的接觸力，對于直接刮擦絲綢織物的情況比超聲波磨損更強。因此，用相同金剛石粉末處理的超聲研磨樣品的平均微晶尺寸略有增加。

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結論

對氮化硅底物的化學和機械預處理對CVD金剛石成核的影響進行了更廣泛的研究。為了全面了解不同種類的表面制劑的作用，必須進行“惰性”膠體二氧化硅拋光，以避免金剛石播種造成的任何假象，就像通常使用金剛石拋光時發生的那樣。

化學預處理通過強酸或堿性攻擊去除顆粒間玻璃相，或通過等離子體四氟化碳蝕刻氮化硅顆粒，結果不理想，薄膜密度低，或幾乎沒有。與化學蝕刻樣品相比，其成核密度(10min后接近1010cm-2)、薄膜金剛石壓實、均勻性和細粒徑(6h后低于2um)的優異結果表明，化學蝕刻并不是氮化硅中良好的CVD金剛石質量的必要步驟。粒間的化學和熱相容性較低粉末播種顆粒。在同樣的機械預處理中，較小的磨損顆粒傾向于產生更細粒度的金剛石薄膜，而直接干燥磨損似乎比超聲波的金剛石懸浮液攪拌更有效。通過避免化學蝕刻的表面制備的簡單性，這在WC-Co等傳統的工具基板中是必不可少的，支持了使用Si3N4基陶瓷在這類應用中的眾所周知的內在優勢，如它們的熱相容性和滲碳的性質。

審核編輯：符乾江