等离子体增强化学气相沉积法制备类金刚石薄膜研究综述

类金刚石薄膜由于其独特的物理化学特性,使得该薄膜在光学、电学、机械、医学、航空航天等领域得到了广泛应用。等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)制备类金刚石是近几十年兴起的新的制备类金刚石薄膜的方法,因其对沉积温度要求低,对基底友好,同时还具有沉积速率快和无转移生长的优势,获得了越来越多的研究者关注。详细介绍了类金刚石薄膜优异的特性,阐述了在等离子化学气相沉积条件下,不同沉积条件对沉积类金刚石薄膜结构特性的影响。衬底的选择直接影响着沉积类金刚石薄膜的性能,不同的衬底直接决定着生成类金刚石结构中sp^(3)相的数量和质量;沉积参数是最为常见的控制条件,对沉积薄膜的总体效果影响也是最大的,改变沉积参数,沉积薄膜的表面将会变得更加光滑致密;常用的掺杂元素是硅和氮,掺杂元素的引入往往是为了降低沉积薄膜的内应力,提高与衬底间的结合力,延长使用寿命等;由于很难直接在金属上沉积类金刚石薄膜,所以常通过制备复合层来改善沉积效果。最后对类金刚石薄膜的发展以及今后研究方向进行了展望。

H_(2)对HfO_(2)衬底上等离子体增强化学气相沉积石墨烯的影响

HfO_(2)薄膜和石墨烯是用于制作石墨烯场效应晶体管的主要材料,而采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)在HfO_(2)衬底上原位生长石墨烯是极具潜力的一种石墨烯制备方法,这种方法有助于降低石墨烯转移过程对石墨烯质量的影响,从而提高石墨烯场效应晶体管的性能。使用真空电子束蒸镀方法在重掺杂单抛硅片衬底上分别于50、150、250℃下沉积了100 nm厚的HfO_(2)薄膜样品;随后选用最优质量的HfO_(2)薄膜作为生长石墨烯的衬底,采用PECVD方法在温度为600℃、CH4流速为4 sccm的条件下,以不同的H2流速(0、5、10、15、20 sccm)原位生成石墨烯薄膜。结果显示,150℃下蒸镀的HfO_(2)薄膜粗糙度最低,表面最平整,同时也拥有最佳的介电性能。当H2流速为10 sccm时,可获得少层石墨烯薄膜,此时的石墨烯薄膜缺陷最小,表面平整且连续性好。通过对HfO_(2)衬底上石墨烯的生长机理进行分析发现,HfO_(2)衬底的低表面能导致含碳物种难以吸附到衬底上,石墨烯不易生长,但适当的H2参与可以有效降低CH4裂解反应的活化能,促进CH4的裂解,有利于生长出大面积的连续型石墨烯薄膜。

微波等离子体化学气相沉积法制备大尺寸单晶金刚石的研究进展

金刚石作为一种超宽禁带半导体,是下一代功率电子器件和光电子器件最有潜力的材料之一。然而,高品质、大面积(大于2英寸)单晶衬底的制备仍是金刚石器件产业应用亟待解决的问题。介绍了目前受到广泛关注的微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)获得大尺寸金刚石单晶衬底的技术方案,即单颗金刚石生长、拼接生长以及异质外延生长。综述了大尺寸单晶金刚石外延生长及其在电子器件领域应用的研究进展。总结了大尺寸单晶金刚石制备过程中面临的挑战并提出了潜在的解决方案。

脉冲直流等离子体增强化学气相沉积Ti-Si-N纳米薄膜的摩擦磨损特性

采用工业型脉冲等离子体增强化学气相沉积设备,通过调节氯化物混合比例控制薄膜成分,在高速钢基材表面于550℃下沉积由纳米晶TiN和纳米非晶Si3N4组成的Ti-Si-N复合薄膜;采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪及X射线光电子能谱仪分析了薄膜的结构、组成和化学状态;采用球-盘高温摩擦磨损试验机考察了薄膜同GCr15钢对摩时的摩擦磨损性能.结果表明:薄膜的Si含量在0%～35%范围内变化,随着Si含量增大,薄膜沉积速率增大,但薄膜由致密形态向大颗粒疏松态过渡;薄膜的晶粒尺寸为7～50nm;Ti-Si-N薄膜的显微硬度高于TiN的硬度,最高可达60GPa;引入少量Si可以显著改善TiN薄膜的抗磨性能,但薄膜的摩擦系数较高(室温下约0.8、400℃下约0.7);随着Si含量的增加,Ti-Si-N薄膜的耐磨性能有所降低,其原因在于引入导电性较差的Si元素使得薄膜的组织变得疏松.

直流射频等离子体增强化学气相沉积类金刚石碳薄膜的结构及摩擦学性能研究

利用直流射频等离子增强化学气相沉积技术在单晶硅表面制备了类金刚石碳薄膜.采用Raman光谱、红外光谱、X射线光电子能谱和原子力显微镜等研究了薄膜的微观结构和表面形貌,在UMT-2MT型摩擦磨损试验机上考察了薄膜在不同载荷与滑动速度下的摩擦学性能.结果表明:所制备的类金刚石碳薄膜具有典型的类金刚石结构特征,薄膜均匀、致密,表面粗糙度小,硬度较高;薄膜与Si3N4陶瓷球对摩时显示出良好的抗磨减摩性能;随着试验载荷与滑动速度的提高,薄膜的摩擦系数降低,耐磨寿命降低;薄膜的减摩抗磨性能同其在Si3N4陶瓷球偶件磨损表面形成的转移膜相关.

等离子体增强化学气相沉积氮化碳薄膜过程中的光学发射谱研究

利用光学发射谱技术对直流辉光放电等离子体增强的化学气相沉积氮化碳薄膜过程中的等离子体进行了原位诊断 ,结果表明主要的辐射有N2 的第二正系跃迁、N+2 的第一负系跃迁、CN和NH的紫外跃迁。研究了气源中氢气含量、放电电流及沉积气压的变化对N2 (337 1nm) ,N+2 (391 4nm)和CN(388 3nm)辐射强度的影响 ,并在此基础上探讨了这几种跃迁的激发机制 ,其结果为氮化碳合成中优化沉积参数。

用等离子体增强化学气相沉积技术制备类金刚石碳薄膜的摩擦磨损性能研究

利用射频-直流等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅衬底上沉积类金刚石碳薄膜,采用激光拉曼光谱仪和原子力显微镜对薄膜的结构和表面形貌进行表征,采用纳米压痕仪测定薄膜的硬度,并用UMT型微摩擦磨损试验机考察了薄膜在不同试验条件下的摩擦磨损性能.结果表明:所制备的类金刚石碳薄膜表面光滑致密且硬度较高;在干摩擦条件下与GCr15钢球或Al2O3球配副时显示出良好的减摩抗磨性能,摩擦系数较低,耐磨寿命较长,而在水润滑条件下同Al2O3球配副时发生灾难性磨损.

内表面等离子体增强化学气相沉积TiN涂层研究

介绍了一种新型等离子体增强化学气相沉积内表面复合处理系统。利用此系统沉积TiN涂层的结果表明,100mm×1000mm316不锈钢管内表面沉积涂层相对均匀,且具有较好的表面特性和机械特性。

等离子体增强化学气相沉积制备的ZnO薄膜研究

鉴于ZnO薄膜材料的多功能性,用等离子体增强化学气相沉积方法在金属Cu和普通玻璃上生长了ZnO薄膜。扫描电子显微镜获得其表面形貌;能谱分析获得其元素种类及相对含量,在能谱图上明显地观察到了Zn峰和O峰的存在,且Cu基上Zn和O原子比接近1∶1;X射线光电子能谱分析得出样品中的Zn和O全部以化合态存在而不存在Zn原子和O原子。但Cu基上的ZnO薄膜易吸收空气中的氧和水蒸汽,薄膜质量期望通过生长合适过渡层得到改善。

偏压对低气压等离子体增强化学气相沉积TiO_2薄膜的结构和性能的影响

使用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)的方法,以TTIP(Ti(OC3H7)4)为单体,用氧气为载气,以脉冲偏压为辅助在室温的玻璃基片上沉积无定型TiO2薄膜,分析探讨在射频等离子体增强化学气相沉积TiO2薄膜的过程中,基片上施加脉冲偏压和远离脉冲偏压的情况下成膜的比较.在沉积的过程中,利用USB-2000型光纤光谱仪对等离子体的发射光谱进行测量,定性分析等离子体沉积过程中的成分组成.用UV-1901探讨薄膜的光学特性,发现紫外和近紫外区域有一定吸收;用扫描电镜分析薄膜表面形貌的变化,可以看到偏压下的薄膜致密无孔,而远离偏压下的薄膜形貌粗糙;用红外光谱分析薄膜的结构组成,可以看到明显的Ti—O吸收峰.脉冲偏压下得到的薄膜在化学、光学以及电学方面有很好应用前景.

常压等离子体增强化学气相沉积纳米晶TiO_2多孔薄膜的研究

采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)的方法及TiCl4/O2混合气体在常温常压下可制备纳米晶TiO2多孔薄膜.利用偏光显微镜分析(PM)、扫描电子显微镜分析(SEM)、高分辨透射电镜分析(HRTEM)、X光衍射分析(XRD)等检测手段,系统地对纳米晶TiO2多孔膜表面形貌以及成分进行表征.研究结果表明:使用等离子体化学气相沉积方法,可以在常温常压下快速沉积纳米晶TiO2多孔薄膜,并且PE-CVD与传统的化学方法相比具有低能耗、低污染、方法简便、成本低等优点,是具有良好发展前景的纳米晶多孔薄膜制备新方法.

等离子体增强化学气相沉积技术制备锗反蛋白石三维光子晶体(英文)

采用溶剂蒸发对流自组装法将单分散二氧化硅(SiO2)微球组装形成三维有序胶体晶体模板,以锗烷(GeH4)为先驱体气用等离子增强化学气相沉积法在350℃填充高折射率材料锗,获得了锗反蛋白石光子晶体。通过扫描电镜、X射线衍射仪对锗反蛋白石的形貌、成分、结构进行了表征。结果表明:锗在SiO2微球空隙内填充均匀,得到的锗为多晶态。锗反蛋白石光子晶体为三维有序多孔结构。等离子体增强化学气相沉积的潜在优势在于可实现材料的低温填充,从而以高分子材料为模板进行复型,得到多种结构的三维光子晶体。

低温等离子体增强化学气相沉积纳米结构碳化钨薄膜

采用氟化钨（WF6）和甲烷为前驱体气体，以氩气为载气，在氢气氛下，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法在低温下制备具有纳米结构的碳化钨薄膜。采用SEM、AFM、XRD、EDS等方法表征了碳化钨薄膜的形貌、晶体结构和化学组成，表明基体温度在450℃，甲烷与氟化钨气体流量比为10时得到的碳化钨薄膜是以直径为Ф40～80nm，高度为150～200nm的圆柱状的纳米晶粒聚合体组成。探讨了低温制备纳米结构碳化钨薄膜的机理，分析了基体温度对薄膜物相和微观结构的影响。

射频等离子体增强化学气相沉积SiN_x薄膜的研究

采用射频等离子体增强化学气相沉积技术,以N2和SiH4作为反应气体,在P型硅基片上进行SiNx薄膜的沉积.使用椭偏仪对薄膜厚度和光学常量进行了测量,用傅里叶变换红外光谱仪对SiNx薄膜的化学键合结构进行了分析.研究了基片温度、射频功率以及N2和SiH4的气体流量比率等实验工艺参量对薄膜沉积速率和光学常量的影响.结果表明,射频等离子体增强化学气相沉积技术沉积的SiNx薄膜是低含氢量的SiNx薄膜,折射率在1.65～2.15之间,消光系数k在0.2～0.007之间,当SiNx薄膜为富氮时k≤0.01,最高沉积速率高达6.0nm/min,N2和SiH4气体流量比率等于10是富硅和富氮SiNx薄膜的分界点.

射频-直流等离子体增强化学气相沉积设备的研制

综合利用射频和直流辉光放电的特点研制成功射频－直流等离子化学气相沉积设备。成功地用该设备制备出类金刚石薄膜。类金钢石薄膜的沉积速率随极板负偏压、气体工作压力的增加而增大。

磁激活增强等离子体化学气相沉积设备的研制

针对PECVD中等离子体的密度沿径向分布均匀性较差、空间气氛化学活性较差的问题,在PECVD的基础上加入电子发射源和正交电磁场以控制电子的运动,从而增强等离子场的强度和范围,使反应场的活力增加,以提高反应空间的活化能力,继而提高膜层质量.结果表明,该方法可以使等离子场的分布发生改变,可控制、调整等离子体密度及范围.

磁激活等离子体增强化学气相沉积设备的研制

针对PECVD中等离子体的密度沿径向分布均匀性较差、空间气氛化学活性较差的问题,在PECVD的基础上加入电子发射源和正交电磁场以控制电子的运动,从而增强等离子场的强度和范围,使反应场的活力增加,以提高反应空间的活化能力,继而提高膜层质量。结果表明,该方法可以使等离子场的分布发生改变,使等离子体密度及范围做到可控制且可调整。

用锌金属有机源和二氧化碳等离子体增强化学气相沉积的方法制备高质量氧化锌薄膜

报道了用金属锌有机源和二氧化碳混合气源等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)的方法成功地制备高质量择优取向 (0 0 0 2 )的ZnO薄膜。通过X ray衍射谱进行了结构分析得到六方结构 ,择优取向 ,晶粒尺寸大约在 2 2 0nm。并通过原子力显微镜分析更进一步验证了晶粒的尺寸。通过透射谱分析观察到了典型的激子吸收线。这种方法的特点是可以在低温条件下在任何衬底上生长大面积均匀性好。

等离子体增强化学气相沉积端面减反膜的研究

利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制作半导体有源器件端面减反膜的方法简单易行,且适合进行大规模在片制作。采用1/4波长匹配法对减反膜的折射率、膜厚及其容差进行了理论设计,并在选定折射率下,对PECVD的沉积速率进行了测量。在此基础上,制作了1.31μmInGaAsP氧化膜条形结构超辐射发光二极管,通过测定输出光谱调制系数的方法确定出减反射膜的反射率为6.8×10-4,并且具有很好的可重复性。

低温等离子体增强化学气相沉积技术制备碳纳米管

由于等离子体在低温下具有高活性的特点 ,等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)技术可显著降低薄膜沉积的温度范围。通常条件下 ,高质量碳纳米管的生长要求 80 0℃以上的基片温度 ,若能使该温度降到4 0 0℃以下 ,则对许多应用非常有利 ,如可以在玻璃基片上沉积碳纳米管场发射电极。目前 ,碳纳米管基纳电子器件的研制这一课题备受关注 ,如果能实现低温原位制备碳纳米管 ,则可能将纳电子器件与传统的微电子加工工艺结合并实现超大容量的超大规模集成电路。本文主要介绍近年来生长碳纳米管所采用的各种等离子体化学气相沉积技术 。