实验二 等离子体增强化学气相沉积方法制备类金刚石薄膜实验

提纲： 一、实验目的 二、实验内容 三、实验仪器设备和材料 四、实验原理 五、实验方法和步骤 六、实验报告要求 七、实验注意事项 八、思考题

一、实验目的 （1）通本实验使学生了解气体辉光放电的原理和 过程。 （1）通本实验使学生了解气体辉光放电的原理和 过程。 （2）使学生了解并熟悉直流辉光放电等离子体化 学气相沉积系统的结构和使用方法。 （3）掌握等离子体化学气相沉积薄膜的工艺原理 及在基片上沉积类金刚石薄膜的工艺过程。

二、实验内容 （1）高真空的获得与测量。 （2）等离子体的产生。 （3）设定实验工艺参数、利用直流辉光放电等离子体增 强化学气相沉积类金刚石薄膜。

三、实验仪器设备和材料 （１）试样： （２）实验设备： 玻璃基片、硅基片、氩气、甲烷、乙炔、氮气、丙酮、酒精。 超声清洗器； 直流辉光放电等离子体增强化学气相沉积系统。

直流辉光放电等离子体化学气相沉积类金刚石薄膜是利用高压直流负偏压（-1~-5kV），使低压碳氢气体发生辉光放电从而产生等离子体，等离子体在电场作用下沉积到基片上并形成类金刚石薄膜。 直流辉光放电PECVD沉积系统示意图

主要组件：真空室组件、直流电源、基片水冷加热台、窗口及法兰接口部件、工作气路、抽气机组（机械泵和分子泵）、阀门及管道、真空测量及电控系统。

四、实验原理 （１）化学气相沉积制备薄膜介绍 （２）直流辉光放电等离子体化学气相沉积 （３）类金刚石薄膜简介

４.1 化学气相沉积制备薄膜介绍： 气体输入 强制对流 自然对流 气相扩散 表面吸附 表面反应 表面脱附 薄膜形成 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）：利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。 化学气相沉积过程中的各个动力学环节: 气体输入 强制对流 自然对流 气相扩散 表面吸附 表面反应 表面脱附 薄膜形成 气体传输与气相反应 气相沉积

４.２直流辉光放电等离子体化学气相沉积： （１）气体放电： 直流气体放电体系模型

阴阳极之间的电位降主要发生在负辉光区之前，维持辉光放电所必须的电离大部分发生在阴极暗区，这也是薄膜沉积过程中最感兴趣的两个区域。 （２）气体放电的伏安特性曲线： 阴阳极之间的电位降主要发生在负辉光区之前，维持辉光放电所必须的电离大部分发生在阴极暗区，这也是薄膜沉积过程中最感兴趣的两个区域。

在低压化学气相沉积过程的同时，利用气体放电产生等离子体 并对沉积过程施加影响的薄膜制备技术。 （３）等离子体增强化学气相沉积（ PECVD）： 在低压化学气相沉积过程的同时，利用气体放电产生等离子体 并对沉积过程施加影响的薄膜制备技术。 （４）等离子体产生方法： 微波辅助PECVD、 射频辉光放电PECVD、 直流辉光放电PECVD

（５）直流辉光放电PECVD沉积原理： 直流电源 气体 石英玻璃 活性基团 衬底 抽气 直流电源

４.３类金刚石薄膜介绍： 碳原子有sp3、sp2、sp1三种键合方式。 sp3态：金刚石结构。 sp2态：石墨结构。 金刚石结构 石墨结构 （１）碳原子杂化方式： 碳原子有sp3、sp2、sp1三种键合方式。 sp3态：金刚石结构。 sp2态：石墨结构。 金刚石结构 石墨结构

（2）类金刚石薄膜结构： 类金刚石薄膜中同时含有sp3、 sp2和sp1杂化碳。其中sp2杂化碳和sp3杂化碳含量较多，sp1杂化碳含量非常少，可忽略。 t-aC sp2 H sp3 a-C:H No film diamond graphite Polymer-like Graphitic t-aC:H sp3、sp2和H成分组成的三元相图

Atomic Number Density (Mole/cm3) （３）类金刚石薄膜的性能与应用： 类金刚石薄膜具有高硬度、低摩擦系数、高电绝缘性能、高耐磨耐蚀性、高热导率、在可见到紫外光范围内透明、良好的绝缘性和化学稳定性、优异的生物兼容性等，受到越来越多人的关注。 性能： 性能 金刚石 类金刚石 石墨 Density (g/cm3) 3.51 1.8 – 3.6 2.26 Atomic Number Density (Mole/cm3) 0.3 0.2 – 0.3 0.2 Hardness (Kgf/mm2) 10000 2000 - 8000 500 Friction Coeff. 0.05 0.03 – 0.2 0.1 Refractive Index 2.42 1.8 – 2.6 2.15 – 1.8 Transparency UV-VIS-IR VIS-IR Opaque Resistivity (Wcm) >1016 1010 - 1013 0.2 – 0.4

应用： Form Die VCR Head Drum CD/DVD Mold Spacer Tool Hard Disk & Slider Razor Blade Wrist Pin Digital VCR Tape

五、实验方法和步骤 （1）根据实验目的，设定工艺参数。 （2）用超声波清洗器清洗玻璃基片和单晶硅基片15分钟，清洗时加入丙酮 或酒精，清洗后用氮气吹干。 （3）将清洗好的基片放入沉积室里面的样品台上，然后关好真空室门。 （4）仔细检查水源、气源和电源正常后，打开冷却循环水。 （5）抽真空。首先用机械泵抽真空，开启真空泵，打开机械泵的真空阀门，一段时间后（约10分钟）打开热偶真空计测量真空度，待真空室内气压达到1Pa左右，然后开启分子泵及分子泵的阀门，用分子泵与机械泵一起抽真空，一段时间后（约30分钟）打开电离真空计测量真 空度，待室内气压达到需要的本底真空度（约1×10-3Pa），然后关闭电离真空计。

（6）真空度达到所需要的本底真空度后，关闭分子泵，机械泵仍然工作。打开气瓶，开始通入Ar （6）真空度达到所需要的本底真空度后，关闭分子泵，机械泵仍然工作。打开气瓶，开始通入Ar 和CH4或C2H2气体，通过质量流量控制器控制Ar/CH4或Ar/C2H2的比例。 （7）根据实验条件设定工作气压，打开直流电源，施加预设的功率，产生等离子体，观察等离子 体产生的过程及颜色等。 （8）设定基片温度，打开偏压电源并在基片上施加预设的负偏压。 （9）根据工艺参数沉积类金刚石薄膜20分钟，然后结束镀膜，之后关闭电源和气体。 （10）薄膜在真空状态下搁置一段时间。待冷却后，关机械泵。打开充气阀对真空室充气后，打开真空室门，取出薄膜进行观察。 （11）合上真空室门，将真空室内抽到一定真空后，然后关掉机械泵，关掉总电源，切断冷却水。

六、实验报告要求 （1）描述实验过程中观察到的各种现象，并给出合理的解释。 （2）实验装置中各主要部分的用途。 （3）阐述等离子体的产生原理。 （4）详细记录实验过程、工艺参数及实验步骤，写出类金刚石薄膜制备实验报告。

七、实验注意事项 （1）实验之前须认真阅读有关仪器的使用说明，理解仪器操作规程及其先后操作步骤的关系； （2）在开启直流辉光放电等离子体增强化学气相沉积系统之前，需要确保冷却水已经打开； （3）实验结束后关闭水、电和气体。

八、思考题 （1）注意分子泵的开启时机，为什么刚开始抽真空不能直接开动分子泵？在对真空室进行通气时为何要关闭分子泵？ （2）热偶规管和电离规管的工作原理是什么？它们的量程范围是多少？ （3）等离子体是如何产生的？等离子与薄膜制备的关系？ （4）薄膜制备之前，为什么要对基片进行清洗？清洗主要有哪些方法？

相关资源链接： 北京工业大学薄膜材料与技术实验室， http://qmlab.bjut.edu.cn 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，http://www.etfid.uestc.edu.cn/ 大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室，http://mmlab.dlut.edu.cn/lab-tecn.htm 北京科技大学高技术薄膜材料研究室，http://www.ustb.edu.cn/materials/kxyj/f1.mht 吉林大学超硬材料国家重点实验室， http://nlshm-lab.jlu.edu.cn/index.html 广州有色金属研究院材料表面工程研究所，http://www.gzse.com/index.htm

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