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介质阻挡放电制备类金刚石膜的研究

刘艳红  
【摘要】: 为提高介质阻挡放电方法制备类金刚石膜的质量,本论文深入研究了成膜过程中等离子体性质与成膜质量之间的关系。首先比较不同碳源气体CH_4、C_2H_6介质阻挡放电方法制备类金刚石膜的工艺条件,分析等离子体过程的不同;其次通过放电功率测量、等离子体电子激发温度分析研究了惰性气体Ar、He分别加入CH_4后对等离子体参数及成膜质量的影响,揭示出利用惰性气体改变等离子体参数从而提高成膜质量的原理;最后运用漂移扩散模型,理论分析了介质阻挡放电等离子体中离子能量的大小,表明离子能从放电空间电场中获得足够的能量以满足硬质类金刚石膜沉积的需要,而不需给衬底外加射频偏置电压,使整个设备结构简单、能量消耗低。本论文研究内容及结果如下: (1)实验研究并比较了以C_2H_6、CH_4为载碳气体利用其介质阻挡放电等离子体制备类金刚石膜的工艺条件。结果表明:在整个气压P与放电间距d乘积范围内,以纯C_2H_6为碳源气体,得到的都是软的类聚合物膜。取10mm放电空间、100Pa总气压不变,以H_2对C_2H_6进行稀释,随H_2的体积百分比从0%增加至95%,DLC膜的硬度从4GPa增加至19.5GPa。说明C_2H_6介质阻挡放电等离子体空间中发生了较强的聚合反应,而同样放电条件下,CH_4介质阻挡放电中并没有聚合发生。聚合反应导致软的类金刚石膜。 (2)研究利用惰性气体Ar及He改善CH_4+Ar(He)介质阻挡放电等离子体性质,提高沉积类金刚石膜性能的工艺条件。CH_4+Ar(He)总气压100Pa,放电间距10mm,总的气体流量5sccm,改变Ar(He)体积百分比R。结果表明,在0<R_(Ar)<67%范围内,R_A增加,DLC膜的硬度由12.5GPa增加至19.4GPa,0<R_(He)<58%,由2.5GPa增加至23GPa。说明Ar或He的加入都有助于提高膜的性能。 (3)通过放电功率的测量及电子激发温度的分析研究Ar及He对CH_4+Ar(He)介质阻挡放电等离子体状态的影响。100Pa气压、25kV电压放电,随着Ar或He体积百分比的增加,CH_4+Ar与CH_4+He的放电功率及电子激发温度变化表现出不同的规律:在CH_4+Ar中,随Ar由20%增加到至83%,放电功率由24.5mW单调降低至8.3mW,电子激发温度也单调地由大于6000K降低至近2000K。在CH_4+He中,He由20%增加到67%,电功率由10mW增加至23mW,然后下降至83%He时的不到5mW,电子激发温度在90%He时为9237K,在80%He时为7146K。 (4)从离子在气体中的漂移扩散过程出发建立离子能量分析的理论模型,对CH_4介质阻挡放电中离子能量随气压与放电间距乘积的变化及CH_4+Ar(He)介质阻挡放电中离子能量随Ar或He百分比的变化进行了计算。结果表明,CH_4介质阻挡放电等离子体中当pd值由14×133Pa mm降低至4.5×133Pa mm时,离子能量先由5.4eV缓慢地增加到20.2eV,然后随着pd值降至2×133Pa mm,离子能量快速增加到163eV,同样条件下沉积薄膜的硬度由2GPa缓慢增加到5.6GPa,进而增加到17GPa。Ar(He)+CH_4中,随Ar(He)体积百分比增加,碳氢离子能量增加,加入Ar,由68eV增加到95eV,加He,由43.9eV增加到128.5eV,这些计算结果很好地解释了沉积DLC膜硬度随实验条件的变化。 实验结果与理论分析表明,低气压介质阻挡放电制备薄膜除了具有设备简单、功耗低、用气量小以外,还潜在地具有离子能量适中的优势,且离子的能量是从放电空间中自主获得的,不需要配置射频偏置电源。Ar、He以一定的比例加入CH_4中,碳氢离子的能量都会得到提高,因而提高了DLC膜硬度。但两者对介质阻挡放电等离子体的影响机制不同:Ar的增加使Ar+CH_4的击穿电压低,等离子体中离子密度低,放电功率低,电子激发温度也低,但是Ar的质量较大,Ar及Ar~*能通过与CH_4碰撞产生大量的CH_n自由基及H原子密度,通过加强表面反应使膜的硬度得到提高。He的电离电位及亚稳态能级都远高于CH_4的,因此He+CH_4击穿电压高,电子激发温度高,电离率高,离子密度高,离子能量高,膜的硬度高,放电功率也高。但是He增加到一定比例后,过高的放电电压使一个电源周期内放电的数目降低,而导致放电功率降低。


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