文档介绍：星形MPCVD装置上制备类金刚石薄膜的研究
报告人:熊礼威
第十三届全国等离子体科学技术会议
四川成都 2007年8月
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室
武汉工程大学
等离子体化学与新材料重点实验室
报告主要内容
研究背景
星形微波等离子体装置介绍
类金刚石薄膜的沉积研究
结论
后期工作计划
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室
研究背景
类金刚石薄膜(DLC)具有一系列接近于金刚石薄膜的优异性能,如很高的硬度、很小的摩擦系数、良好的化学稳定性、较高的电阻率、优异的红外和微波频段的透过性和高的光学折射率等,在机械、电子、光学、声学、计算机等很多领域具有较好的应用前景。
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室
研究背景
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室
目前制备类金刚石薄膜的方法主要有电化学法、物理气相沉积法和化学气相沉积法三大类。其中电化学方法制备的类金刚石薄膜的性能较差,无法达到应用要求;工业上采用较多的是物理气相沉积法,但该方法对设备和环境的要求很高,设备的操作也比较复杂,因此很难实现类金刚石薄膜的批量化生产;化学气相沉积法对设备的要求不高,容易实现类金刚石薄膜的批量化生产,但目前在类金刚石薄膜的制备工艺方面还存在一些问题有待解决,尚未实现类金刚石薄膜的工业化。
研究背景
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室
目前MPCVD方法制备类金刚石薄膜存在的主要难点有:
类金刚石薄膜的低温沉积。一般微波等离子体化学气相沉积的温度为500 ℃以上,这样有利于得到稳定的等离子体。而类金刚石薄膜的沉积温度一般在300 ℃左右,如何获得如此低温的稳定等离子体成为类金刚石薄膜制备方面的一个较大难题;
MPCVD装置应用的局限性。目前微波等离子体CVD装置一般只能用于单片基片上薄膜的沉积,等离子体放电区域很小,这极大地限制了MPCVD方法在工业化方面的应用。如何获得较大的等离子体放电,实现薄膜的一次多片沉积,成为MPCVD方法制备类金刚石薄膜实现产业化的难题。
为此,实验室与成都和瑞微波技术有限公司合作,设计并制造了星形微波等离子体化学气相沉积装置,该装置较好地解决了上述难题,是实现类金刚石薄膜产业化的理想装置。
装置介绍
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室
星形MPCVD装置的照片如下图所示,该装置主要由微波电源控制系统、真空气路系统、主腔体系统和保护系统组成。通过对微波电源系统和真空气路系统的控制,在主腔体系统中产生需要的微波等离子体放电,从而实现化学气相沉积过程。
星形MPCVD装置的照片
装置介绍
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室
下图为星形MPCVD装置主腔体部分的模拟图片,该装置具有10个独立的微波源,分别由10个独立的微波源控制系统进行控制。这10个微波源分为两组固定在五菱柱形铜质谐振腔的五个侧面上,其相对位置如下图所示,每组中的5个微波源分布在同一平面上,有利于实现谐振腔中的微波电磁场的耦合,使得反应腔体内的等离子体分布更加均匀。
星形MPCVD装置主腔体部分的模拟图片
P=5kPa
P=
P
星形MPCVD装置在不同反应气压下的放电模拟
装置介绍
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室
该星形微波等离子体化学气相沉积装置具有如下特点:
该装置有多个微波源同时工作,反应腔体大,等离子体放电区域大,可以实现类金刚石薄膜的一次多片沉积,使类金刚石薄膜的大批量生产成为可能;
由于是多个微波源同时向腔体内输入微波,在该装置上可以获得较低温度的等离子体,可以实现类金刚石薄膜的低温沉积。
鉴于这些独特的优点,可以预见,该装置是实现类金刚石薄膜产业化的理想装置。
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室
类金刚石薄膜的沉积研究
类金刚石薄膜在硅片上的沉积
在硅片上进行了类金刚石薄膜的沉积研究,通过采用两种不同的基片预处理方法,在硅片表面得到了光滑平整的类金刚石薄膜,采用各种不同的标准手段对类金刚石薄膜的质量进行了表征。
采用金刚石研磨膏研磨预处理后
在硅片上沉积的DLC薄膜的SEM图片
采用金刚石粉进行超声研磨预处理后
在硅片上沉积的DLC薄膜的SEM图片