等离子体增强化学气相沉积设备的技术要点及性能分析

等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是一种重要的表面涂覆技术,可用于制备薄膜材料。对此,需要研究并分析等离子体增强化学气相沉积设备的技术要点和性能,介绍PECVD设备的基本构成和工作原理,研究PECVD设备的关键技术要点。其中,气体供给系统的精确控制是实现均匀沉积薄膜的关键。为了提高沉积速率和薄膜质量,需优化反应室的设计以确保等离子体的均匀分布和稳定性。此外,射频电源的功率和频率的选择也对薄膜质量有重要影响。实践证明,通过研究技术要点和性能分析,可进一步优化设备参数,提高薄膜质量和沉积效率,为相关领域研究提供有力支持。

Al_(2)O_(3)改性等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层的异物损伤行为及失效机理

由外来异物损伤引起的颗粒冲蚀是制约热障涂层使用寿命的重要因素。为了提高等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)热障涂层的耐冲蚀性能,采用磁控溅射和真空热处理在PS-PVD喷涂的7YSZ热障涂层表面制备一层致密的α-Al_(2)O_(3)。系统研究热障涂层的异物损伤行为,并采用第一性原理计算对α-Al_(2)O_(3)/c-ZrO_(2)界面进行研究。结果表明,PS-PVD、大气等离子喷涂(APS)和电子束-物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层的冲蚀质量损失率分别为324、248和139μg/g,而Al_(2)O_(3)改性的PS-PVD热障涂层的冲蚀质量损失率降至199μg/g。此外,在Al_(2)O_(3)/ZrO_(2)-O的顶部构型模型中观察到的界面结合能最高(3.88 J/m^(2)),远高于ZrO_(2)/Ni(2.011 J/m^(2)),使界面结合性能得以提高。

等离子物理气相沉积高熵合金涂层及组织性能

采用等离子物理气相沉积的方法在316L不锈钢表面制备了AlCoCrFeNi高熵合金涂层,研究了喷涂距离和电流对高熵合金涂层物相组成、表面形貌、截面形貌、硬度、结合强度和耐磨性的影响。结果表明,不同喷涂距离和电流下,高熵合金涂层都主要由BCC、B2和FCC相组成;随着电流或者喷涂距离增加,涂层中BCC平均晶粒尺寸先增后减。当喷涂距离为460 mm时,随着电流从1600A增加至2000A,涂层平均摩擦系数逐渐增大,表面和截面硬度先减后增,涂层结合力和结合强度先增大后减小,涂层的磨损率先增加后减小;当电流为1800A时,随着喷涂距离从420mm增加至500mm,涂层平均摩擦系数逐渐减小,表面硬度先减后增,截面硬度先增后减,涂层结合力和结合强度逐渐增大,涂层的磨损率逐渐减小。高熵合金涂层的磨损率与涂层表面硬度和内聚强度都有一定相关性。

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。

等离子增强化学气相沉积制备氮化硅薄膜的工艺优化与性能

采用等离子增强化学气相沉积方法在p型<100>硅片沉积氮化硅薄膜,通过椭偏仪和缓冲氧化物刻蚀液(BOE)溶解实验来表征薄膜的均匀性与致密度,研究了射频功率、腔室气压、气体流量比和衬底温度4个工艺参数对氮化硅薄膜性能的影响。结果表明:在60~100 W范围内,射频功率越大,氮化硅薄膜生长速率越快;腔室气压在130 Pa时有利于形成均匀性好、结构致密的氮化硅薄膜。硅烷/氨气气体流量比例较低时,提高流量比可以提高薄膜的致密度,但比例超过1.4后致密度几乎不再变化;衬底温度在200~300℃时,衬底温度越高,薄膜的生长速率越低,致密度越高。最优的工艺参数为:射频功率100 W、腔室气压130 Pa、硅烷流量280 mL/min、氨气流量10 mL/min、衬底温度300℃,此时氮化硅薄膜的生长速率为16.3 nm/min,均匀性为0.07%,折射率为2.1,溶解速率为0.42 nm/s。

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。

细团聚球形粉体的等离子物理气相沉积工艺适配性

等离子物理气相沉积(PS-PVD)技术由于可实现涂层组织结构柔性调控及高沉积效率和高隔热、长寿命热障涂层制备而被广泛关注,但其粉体制备技术及工艺适配性研究进展较为缓慢。开展PS-PVD粉体材料工艺适配性研究,通过粉体成分及结构的有效控制,设计并制得一种采用化学共沉淀原料的1~20μm的“双相”结构松散球形团聚8YSZ粉体,粉体具有高开孔率和一定自流动性。为了提高粉体的工艺适配性,系统研究PS-PVD工艺中不同喷涂距离、喷涂功率和偏离等离子射流中心不同位置的粉体沉积行为,发现通过粉体成分/结构的有效控制,在低喷涂功率、长喷涂距离和距离等离子射流中心的不同位置,均可实现良好的工艺适配效果及涂层气相沉积效果。通过粉体材料的优化控制可以降低气化过程中的耗能,提高粉体气相沉积效果和拓宽PS-PVD喷涂沉积适配的工艺窗口,实现在高能、高速等离子体中的高气相比例沉积。在PS-PVD用高工艺适配性粉体及其可控制备技术等方面取得了突破,系统地开展了该工艺用粉体制备及性能调控、粉体工艺适配性规律等的研究。

等离子喷涂-物理气相沉积防护涂层及其失效机理研究进展

防护涂层在航空发动机和燃气涡轮发动机免受水氧腐蚀和盐雾侵蚀、耐高温、抗冲刷和服役寿命方面发挥着重要的作用。等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术以其大功率、喷射范围广、能够使粉末原料以气相甚至离子化和非视线沉积特性等特点被广泛应用在热/环境障涂层制备领域,形成的涂层具有沉积效率高、孔隙率较高、热导率低、应变容限高等特点。首先,对PS-PVD热障涂层的表面形貌、柱状晶特点和等离子射流特性进行了探讨。然后,讨论了PS-PVD YSZ热障涂层表面镀铝改性对涂层抗CMAS侵蚀、减少孔隙和裂纹、TGO的生成和提高热循环寿命方面的重要作用,结果表明表面镀铝能显著减少涂层表面孔隙、凹坑、微裂纹和熔融盐对于热障涂层的不利影响。其次,简要概述了近年来SiCf/SiC CMCs代替镍基高温合金在航空发动机基体上抗高温高压和快速失效方面发挥的重要作用。SiCf/SiC CMCs与T/EBCs的结合,有效延长了航空发动机的使用寿命,是我国航空事业的又一次重大突破。此外,重点介绍了PS-PVD非视线沉积特性和涂层阴影效应在涂层沉积方面这一特色,总结了TGO、残余应力、热膨胀失配、微裂纹和粗糙度是涂层失效的主要影响因素。最后,对PS-PVD技术未来在制备热/环境障涂层方面的前景进行了展望。

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。

大气物理气相沉积行为对层流等离子喷涂Mo涂层结构影响

通过提高基体温度或粒子温度可以突破大气等离子喷涂涂层结合率一般不超过1/3的瓶颈,然而目前粒子温度难以通过提高功率等方式进一步提高。基于大气层流等离子喷涂的相关研究证明了层流等离子射流具有射流长度长、速度低、能量密度高等特点,能够有效通过提高粒子在等离子射流的滞留时间从而实现对粒子的充分加热。为了研究层流等离子喷涂高熔点Mo涂层的结构演变规律与关键影响因素,并推导出金属与陶瓷涂层的一般沉积行为,使用扫描电子显微镜对三种喷涂参数下制备的Mo涂层的结构进行了表征与分析。结果表明,喷涂过程中,在等离子射流以及高温粒子对基体的原位加热作用下,Mo的氧化物蒸气能够在等离子射流扫掠中与扫掠后附着、沉积在涂层表面,从而影响后续Mo粒子的沉积而改变涂层的微观结构。涂层的结构主要与Mo粒子的蒸发和基体温度有关。粒子蒸发越剧烈,基体温度越高,涂层越趋向于呈现出多孔岛状凸起结构;粒子蒸发越弱,涂层越趋向于呈现出层状结构,有利于实现低氧化、高致密金属涂层的制备,拓宽等离子喷涂的应用。综合以上研究结果,揭示层流等离子射流中的粒子大量蒸发现象与气相沉积过程,为其作为一种大气环境物理气相沉积的实施方式奠定了基础。

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.

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.

等离子增强型化学气相沉积条件对氮化硅薄膜性能的影响

等离子增强型化学气相沉积(PECVD)氮化硅技术是目前半导体器件在合金化后低温生长氮化硅的唯一方法。研究了由进口PECVD设备制备的氮化硅薄膜性质与沉积条件的关系,测定了生成膜的各种物理化学性能,详细探讨了各种沉积参数对薄膜性能的影响,提出了沉积优质氮化硅薄膜的工艺条件。

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。

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。

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.