大氣壓非平衡等離子體沉積類二氧化硅薄膜研究.pdf

1、二氧化硅薄膜具有高硬度、耐磨、高光透過率、強的抗侵蝕能力以及良好的介電性能,因此在諸多領(lǐng)域得到了很好的應用。針對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,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;基于滑動弧放電方式,設計了噴槍式大氣壓等離子體沉積系

2、統(tǒng);采用FLUENT流體計算軟件對噴口外場空間進行了數(shù)值模擬;利用自行搭建的沉積系統(tǒng)成功地制備了類二氧化硅薄膜,并就沉積時間、基底溫度、電源功率、單體流量、N2/O2/H2流量對薄膜沉積速率的影響進行了研究,探討了沉積時間和基底溫度對薄膜表面形貌、化學結(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的溫度、速度和組分等的分布。研究表明:射流自由膨脹時,沿著軸向,等溫線、等體積分數(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,沿徑向存在一個膨脹過程,在小范圍內(nèi),越遠離噴口,膨脹速度和范圍越大。射流沖擊基底時,在靠近基底表面的區(qū)域,由于基底對氣流的阻擋作用和基底材料高的熱導性,會形成一個厚度為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體積分數(shù)會由1.0逐漸下降到0.4,而溫度和氣體密度沒有明顯改變。
　　 實驗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、光學橢偏儀以及納米壓痕儀對薄膜進行表征。FIRT和XPS的結(jié)果表明,實驗沉積得到的是一種類二氧化硅薄膜。薄膜中的化學鍵以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,沉積速率都會顯著增加。此外,N2流量增加會使沉積速率略微下降。沉積時間和電源功率(170～310W)對沉積速率沒有明顯影響.
　　 沉積時間對薄膜表面形貌、化學結(jié)構(gòu)和硬度的影響:研究表明沉積時間越長,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,隨著沉積的進行,表面突起會不斷粗化,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。
　　 基底溫度對薄膜表面形貌、化學結(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?會促進Si-OH基團間縮聚反應的進行,會提高基底表面的活性先驅(qū)體的擴散能力,使得活性中間體更容易擴散到間隙位,會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