化学气相沉积金刚石的制造和使用

　　FACTS系列技术的第二部分着眼于化学气相沉积金刚石。在这里我们将回答有关制造和应用这种特殊材料的问题。在本文中，对术语化学气相沉积（化学气相沉积）的理解是，它是从气相中沉积金刚石薄膜的一个化学过程。

　　自从1980年代末，通过化学气相沉积的方式，已经能够经济地制造出聚晶金刚石涂层化学气相沉积金刚石的物理和化学特性与天然金刚石一样优秀。这种材料极强的硬度，高度耐化学性，高导热系数都具有特别重要的意义。金刚石在化学上不同于DLC（类金刚石），它的形状是sp3立体混合物，而DLC是石墨（sp2）和与碳原子结合的类金刚石（sp3）的一种非结晶混合物。

使用中的化学气相沉积金刚石

　　由于上文所述的特性，化学气相沉积金刚石已经在许多技术行业投入使用。耐磨保护层，散热器和光学窗口都是至关重要的。但是还有其它应用，例如在金刚石和硅技术相结合基础上的电子或微型机械元件，正在开发或已经投入使用。

　　例如，使用金刚石涂层的工具对石墨进行机加工，这是一种具有高度研磨作用的材料。其它应用包括钻孔或铣削铝硅合金，电路板或碳纤维增强塑料（CFRP）。

化学气相沉积金刚石的制造

　　除了在高压和高温下制造人造金刚石的常规技术，还有许多在较低的压力和温度条件下沉积多晶金刚石薄膜的化学气相沉积工艺。根据晶体的不同大小，它们被分为微晶和纳米晶（光滑）层。微晶和纳米晶层的交替沉积，可以生产出多层薄膜，并且机械性能得到改善。为了使基体上的金刚层具有优良的品质和良好的粘附型，其先决条件是进行过程控制，并对基体进行正确的预处理。

　　Cemecon公司已经引入了80种化学气相沉积金刚石涂层，因此成为这一领域的先驱。通过密集的开发工作，最终开发出拥有专利的光滑的纳米晶层，大大加快了金刚石涂层的成功。今天CemeCon在Würselen运营着全球最大的金刚石涂层中心。制造金刚石涂层广泛应用的工艺包括等离子注入，微波化学气相沉积和热丝化学气相沉积。

电弧喷射工艺

　　在电弧喷射工艺中，工艺气体通过一个等离子体进行注入，达到非常高的化学活化。这反过来又导致较高的层增长率。这种方法的缺点是，由于在基体沉积了大量的热量，因此需要对基体进行冷却，使用这种方法制造‘厚的’多晶体层。用这种方法制造的金刚石板，可以被焊接到类似于PCD（聚晶金刚石）性能表面的机加工工具上。然而，他们具有不含有任何软的钴粘合物的优势。这些层也称为厚CVD层。与此相反，薄的CVD层可以在涂层工艺中直接应用于工具表面。

在显微镜下的金刚石层

微晶金刚石（上）和纳米晶体，即光滑金刚石（下）。

微波化学气相沉积

　　在这项工艺中，微波形式的工艺过程需要提供能量。这种方法的优点是沉积的金刚石层具有较高的纯度，并且表面的层厚具有良好的均匀性。由于这个原因，微波化学气相沉积的方法经常被用于生产光学窗口。

热丝化学气相沉积

　　在这种情况下，通过热丝提供能量，根据不同的应用，热丝在工艺室（容器）内的配置可能是纵向的或是横向的。由钨或钽组成的细丝，通过电加热，温度超过2000°C。工艺气体混合物，例如氢气和甲烷，在低压（大约5－10巴）下被导入容器内，然后进行加热和化学活化。在确定的工艺条件下，使用这种方法，将金刚石、石墨和非晶碳沉积到温度大约为800℃的基体上。甲烷为金刚石的增长提供碳原子，而通过热丝使H2分子分裂产生氢原子：然后它对石墨和非晶碳的基层表面进行大量蚀刻。剩下的是与sp3结合的成分，即纯金刚石。通常，工具表面沉积4-15微米薄的金刚石薄膜。沉积速率大约为0.5微米/小时。

　　微波化学气相沉积非常适合于二维表面的金刚石沉积，热丝工艺也可以被用来为三维基体，如工具和部件进行涂层。能够为最多样化的三维几何结构进行涂层的这种能力，是CemeCon从一开始选择热丝法的一个决定性的原因。

合作进展

　　目前，只有硬质合金工具在工业化规模上进行化学气相沉积金刚石涂层。为了打破这一限制，并为金刚石涂层开辟出更多的应用，CemeCon正在与许多工业合作伙伴、研究机构和大学一起，为其它基体材料，如钢和陶瓷研究涂层解决方案。

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