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He(或Ar)+CH_4介质阻挡放电制备类金刚石膜的性能和沉积机理研究

李建  
【摘要】:介质阻挡放电是一种较高气压范围下产生非平衡等离子体的放电方式。利用介质阻挡放电沉积碳氢薄膜,是一种新颖的方法。该方法具有放电装置简单、耗能低、气体耗量小以及可实现室温下多种基底上大面积成膜等优势。我实验室已经自1999年开始开展了关于这方面的研究工作,并取得了很多成果:已经应用介质阻挡放电制备出了质量较好的类金刚石膜。在等离子体增强化学气相沉积制备类金刚石膜中,向反应气体中掺入其他气体可以改善膜的特性。在介质阻挡放电制备薄膜中加入掺杂气体的研究还没有报导。本文主要研究在介质阻挡放电等离子体增强化学气相沉积制备类金刚石膜过程中,向CH_4中加入He(或Ar)对所沉积的类金刚石膜特性的影响。本文的主要工作内容和成果如下: 利用He(或Ar)+CH_4介质阻挡放电,在低气压下制备了类金刚石膜,研究了不同掺杂比例下,掺He(或Ar)对类金刚石膜硬度、粗糙度和沉积速率等薄膜性能的影响。FTIR分析和Raman谱分析结果证实了薄膜的结构的变化。应用AFM分析了类金刚石膜的表面形貌。应用SEM测量了类金刚石膜的厚度。研究发现,掺He(或Ar)可以显著提高膜的硬度、降低粗糙度:在CH_4含量为33%时,掺He和掺Ar制备的类金刚石膜的硬度最大值达到20GPa和18GPa,在25kHz放电频率下,掺He的类金刚石膜的硬度最高达到23GPa;随着CH_4的降低,膜的粗糙度从0.5nm降分别低到0.2nm和0.3nm。膜的沉积速率下降。 探讨了掺He(或Ar)对膜的性质影响的机理。He的亚稳态能量是19.8ev,掺He提高He+CH_4等离子体中电子浓度和电子能量;Ar的亚稳态能量是11.55ev,它的存在增加了Ar的电离率,从而使Ar+CH_4中电子浓度提高。电子浓度和电子能量的增大提高了CH_n(n=1-3)自由基和H原子的浓度,因此,膜的硬度提高,粗糙度下降,沉积速率降低。


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