星形MPCVD装置上制备类金刚石薄膜的研究

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1 星形MPCVD装置上制备类金刚石薄膜的研究
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室 第十三届全国等离子体科学技术会议 星形MPCVD装置上制备类金刚石薄膜的研究 报告人：熊礼威 武汉工程大学 等离子体化学与新材料重点实验室 四川 成都 年8月

2 湖北省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

3 研究背景 湖北省等离子体化学与新材料重点实验室
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。

4 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。

5 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。

6 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

7 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

8 P=5kPa P=0.5kPa P 星形MPCVD装置在不同反应气压下的放电模拟

9 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。

10 类金刚石薄膜的沉积研究 湖北省等离子体化学与新材料重点实验室 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

11 湖北省等离子体化学与新材料重点实验室 在硅片上沉积得到的DLC薄膜的Raman光谱图片 （a 金刚石研磨膏预处理
b 金刚石粉超声研磨预处理） 其中，1360cm-1和1550cm-1处为类金刚石薄膜的D峰和G峰，1190cm-1处为纳米晶金刚石的特征吸收峰

12 湖北省等离子体化学与新材料重点实验室 类金刚石薄膜在石英基片上的沉积
在石英基片上进行了类金刚石薄膜的沉积研究，通过对各种沉积影响因素，如碳源浓度、基片温度、反应腔体压力以及微波功率等参数的研究，在优化后的沉积条件下沉积得到了质量较好的类金刚石薄膜。 石英基片上得到的类金刚石薄膜的SEM图片

13 Substrate Temperature
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室 下表为在石英基片上沉积类金刚石薄膜的最佳工艺，在进行类金刚石薄膜的沉积之前，采用含有纳米级金刚石粉的丙酮溶液对基片进行一定时间的超声清洗，以此促进类金刚石薄膜在石英基片上的初期生长。 类金刚石薄膜在石英基片上沉积时的最优化工艺 parameter Value Flux of Hydrogen 100sccm Flux of Methane 10sccm Reaction Pressure 0.5kPa Flux of Oxygen 1sccm Substrate Temperature 300℃ Deposition Time 2h

14 湖北省等离子体化学与新材料重点实验室 在石英基片上沉积得到的DLC薄膜的Raman光谱图片 其中480cm-1附近的峰为石英基底的特征吸收峰

15 石英基片上得到的DLC薄膜的傅利叶红外变换图片
湖北省等离子体化学与新材料重点实验室 Sample 1 ultrasonically abraded for 30 min Sample 2 ultrasonically abraded for 10 min 经过不同时间的超声清洗预处理后，在 石英基片上得到的DLC薄膜的傅利叶红外变换图片

16 结论 湖北省等离子体化学与新材料重点实验室
星形微波等离子体化学气相沉积装置具有其独一无二的大放电腔体，并能获得温度很低的稳定等离子体放电，是实现类金刚石薄膜产业化的较为理想的装置。 在该装置上进行了类金刚石薄膜的沉积研究，分别在硅片和石英基片上制备得到了质量较好的类金刚石薄膜。其中在石英基片上得到的DLC薄膜具有较好的光学透过性能，可以应用于各种不同的光学场合，达到保护石英窗口的目的。

17 后期工作计划 湖北省等离子体化学与新材料重点实验室 进行放大实验，在该装置上进行一次多片类金刚石薄膜的沉积研究；
试验在普通玻璃上进行类金刚石薄膜的沉积，实现在更低温度下沉积DLC薄膜； 对该MPCVD装置谐振腔中的电磁场分布进行计算机模拟，对其中的电磁场分布进行更深入的了解； 对反应腔体内的等离子体强度进行诊断，测量不同区域的等离子体强度；

18 湖北省等离子体化学与新材料重点实验室 谢谢大家！