大氣壓非平衡等離子體沉積類(lèi)二氧化硅薄膜研究.pdf

1、二氧化硅薄膜具有高硬度、耐磨、高光透過(guò)率、強(qiáng)的抗侵蝕能力以及良好的介電性能,因此在諸多領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。針對(duì)不同用途的氧化硅薄膜,各種新的沉積技術(shù)不斷涌現(xiàn)。而大氣壓非平衡等離子體沉積技術(shù),作為一種具有代表性的新型薄膜沉積技術(shù),由于具有常壓等溫、薄膜沉積速率快等特點(diǎn),因而受到了廣泛關(guān)注。
　　 本文概括性地介紹了二氧化硅薄膜的制備方法和大氣壓非平衡等離子體沉積技術(shù)的研究現(xiàn)狀;基于滑動(dòng)弧放電方式,設(shè)計(jì)了噴槍式大氣壓等離子體沉積系

2、統(tǒng);采用FLUENT流體計(jì)算軟件對(duì)噴口外場(chǎng)空間進(jìn)行了數(shù)值模擬;利用自行搭建的沉積系統(tǒng)成功地制備了類(lèi)二氧化硅薄膜,并就沉積時(shí)間、基底溫度、電源功率、單體流量、N2/O2/H2流量對(duì)薄膜沉積速率的影響進(jìn)行了研究,探討了沉積時(shí)間和基底溫度對(duì)薄膜表面形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)和硬度的影響。
　　 FLUENT軟件模擬了自由膨脹射流和沖擊射流外場(chǎng)的溫度、速度和組分等的分布。研究表明:射流自由膨脹時(shí),沿著軸向,等溫線、等體積分?jǐn)?shù)線和等速度線的形狀都是從

3、錐形逐漸變成橢圓形;射流噴出后,沿徑向存在一個(gè)膨脹過(guò)程,在小范圍內(nèi),越遠(yuǎn)離噴口,膨脹速度和范圍越大。射流沖擊基底時(shí),在靠近基底表面的區(qū)域,由于基底對(duì)氣流的阻擋作用和基底材料高的熱導(dǎo)性,會(huì)形成一個(gè)厚度為0.25mm的溫度交界面,溫度從500K急劇降到350K;在基底表面,由噴射中心到徑向外圍15mm處,ejected-N2體積分?jǐn)?shù)會(huì)由1.0逐漸下降到0.4,而溫度和氣體密度沒(méi)有明顯改變。
　　 實(shí)驗(yàn)以四乙氧基硅烷為先驅(qū)體制備薄膜,

4、并利用傅立葉變換紅外光譜儀、光電子能譜、掃描電鏡、光學(xué)橢偏儀以及納米壓痕儀對(duì)薄膜進(jìn)行表征。FIRT和XPS的結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)沉積得到的是一種類(lèi)二氧化硅薄膜。薄膜中的化學(xué)鍵以Si-O-Si鍵為主,并嵌有少量Si-OH鍵,其O/Si比為1.84,接近二氧化硅的數(shù)值,在薄膜表面存在一些半球形的突起,直徑在幾十到幾百納米之間。
　　 工藝參數(shù)對(duì)沉積速率的影響:研究表明基底溫度、單體流量以及O2/H2流量對(duì)沉積速率影響比較大。降低基底溫度,

5、提高單體流量,通入適量的O2和H2,沉積速率都會(huì)顯著增加。此外,N2流量增加會(huì)使沉積速率略微下降。沉積時(shí)間和電源功率(170～310W)對(duì)沉積速率沒(méi)有明顯影響.
　　 沉積時(shí)間對(duì)薄膜表面形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)和硬度的影響:研究表明沉積時(shí)間越長(zhǎng),薄膜表面突起越大,Si-OH鍵含量越大,硬度值越小。在沉積表面突起高低位置,活性中間體存在濃度差,隨著沉積的進(jìn)行,表面突起會(huì)不斷粗化,粗糙度不斷增大;受表面粗化的影響,后續(xù)沉積的薄膜中更容易形成孔

6、穴,而較容易存在于孔穴界面的Si-OH鍵的含量也隨之增加,薄膜的硬度也隨之下降。
　　 基底溫度對(duì)薄膜表面形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)和硬度的影響:研究表明基底溫度越高,薄膜表面突起越小,Si-OH鍵含量度越小,硬度值越大?；诇囟壬?會(huì)促進(jìn)Si-OH基團(tuán)間縮聚反應(yīng)的進(jìn)行,會(huì)提高基底表面的活性先驅(qū)體的擴(kuò)散能力,使得活性中間體更容易擴(kuò)散到間隙位,會(huì)降低基底表面的活性中間體的吸附率,減緩表面突起粗化的速度,顯著地提高薄膜的表面平整度,降低薄膜中