等離子體薄膜表面制造中的偏壓效應(yīng)研究.pdf

1、在等離子體工藝過(guò)程中，離子轟擊效應(yīng)是促進(jìn)等離子體與材料相互作用的關(guān)鍵機(jī)制，是決定材料性能和結(jié)構(gòu)的重要因素。偏壓輔助等離子體技術(shù)將等離子體化學(xué)活性與離子轟擊效應(yīng)相結(jié)合，形成了其他方法不可替代、有鮮明特色的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)和高科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 偏壓的應(yīng)用同時(shí)對(duì)體等離子體狀態(tài)產(chǎn)生影響，形成一個(gè)多參數(shù)相互耦合的復(fù)雜等離子體系統(tǒng)，其中還存在著未知的或尚未充分理解的物理現(xiàn)象和過(guò)程。本論文從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面，重點(diǎn)研究多種配置偏壓輔

2、助等離子體技術(shù)中偏壓效應(yīng)的物理機(jī)制，并探索其在新型功能薄膜特征表面制造中應(yīng)用的新工藝和相關(guān)的等離子體氣相機(jī)理。 針對(duì)多種單原子和雙原子分子氣體，研究了基底直流、射頻偏壓與電子回旋共振(ECR)體等離子體之間的耦合效應(yīng)及放電特性。研究表明，基底直流偏壓使氫等離子體密度大大提高，對(duì)中性原子密度則基本無(wú)影響?；咨漕l偏壓與體等離子體之間呈現(xiàn)出復(fù)雜的耦合效應(yīng)。在基底射頻偏壓與體等離子體相互作用中，偏壓頻率起著重要作用。高頻偏壓(13.5

3、6MHz)可產(chǎn)生獨(dú)立的射頻放電，與ECR等離子體耦合成ECR/RF雙頻放電等離子體，對(duì)體等離子體中電子有明顯的加熱作用，使電子能量分布函數(shù)發(fā)生展寬，并提高體等離子體密度和中性原子密度；而低頻偏壓(400kHz)與體等離子體之間基本無(wú)耦合。探討了ECR/RF雙模式放電的物理機(jī)制，并用粒子一流體混合模型對(duì)射頻偏壓輔助ECR等離子體進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。 基底高頻偏壓的應(yīng)用使氫等離子體密度和電子溫度有較大增幅，電子能量分

4、布函數(shù)迅速展寬成雙峰結(jié)構(gòu)，氫等離子體與偏壓的耦合效應(yīng)明顯強(qiáng)于氬等離子體。在氧等離子體中摻入氪氣，會(huì)降低體等離子體中的氧原子濃度和電子溫度。在氬和氪等單原子氣體ECR微波放電中觀察到了高、低密度放電模式轉(zhuǎn)換，在氫和氧等雙原子分子氣體放電中則無(wú)此現(xiàn)象。產(chǎn)生這些差異的原因可歸結(jié)為不同的放電氣體特性和放電反應(yīng)。 此外，研究了偏壓技術(shù)中基底構(gòu)型對(duì)ECR/RF雙頻放電等離子體的影響。比起雙平板型基底，使用單平板型基底時(shí)只存在一條射頻電流通路

5、，可大大提高體等離子體電子溫度，增加射頻偏壓與體等離子體之間的耦合度。 將偏壓輔助ECR等離子體用于功能薄膜特征表面制造中，研究了偏壓效應(yīng)對(duì)等離子體與材料相互作用的影響。在直流偏壓輔助下，氫等離子體使化學(xué)氣相沉積(CVD)微米晶金剛石膜表面產(chǎn)生納米錐結(jié)構(gòu)，納米錐尺寸和形狀隨基底偏壓、微波功率、氣壓等放電參數(shù)變化。在射頻偏壓輔助下，氧等離子體成功地對(duì)金剛石膜進(jìn)行了刻蝕，刻蝕速率最高可達(dá)8μm/h，偏壓頻率和直流自偏壓大小均會(huì)影響刻

6、蝕速率和刻蝕表面形貌。在刻蝕中摻入氪使刻蝕變慢，但刻蝕表面較為平坦。相關(guān)的探針和發(fā)射光譜診斷表明，金剛石刻蝕是各向異性的物理刻蝕與各向同性的化學(xué)刻蝕相互作用和競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，氧原子/氧離子對(duì)表面產(chǎn)生化學(xué)刻蝕，偏壓增強(qiáng)的離子轟擊效應(yīng)促進(jìn)表面的物理和化學(xué)相互作用。基底直流自偏壓的提高能增強(qiáng)離子轟擊效應(yīng)和增加氧原子/氧離子密度，因而是決定刻蝕速率的一個(gè)關(guān)鍵因素。高頻偏壓輔助等離子體刻蝕速率比低頻偏壓快，是由體等離子體中氧原子密度以及入射基底的離子

7、能量分布所決定的。氪的摻入使氧原子密度和等離子體電子溫度降低，增加刻蝕過(guò)程中各向異性物理刻蝕的比例，導(dǎo)致刻蝕減慢，但抑制了納米錐的形成，因而可獲得更加平坦的刻蝕表面。在熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)裝置上，利用直流自偏壓型等離子體制造出多種金剛石特征表面。負(fù)偏壓輔助直流等離子體的離子轟擊效應(yīng)使金剛石膜表面結(jié)構(gòu)演變的同時(shí)還發(fā)生金剛石的相變，更高的基底溫度導(dǎo)致長(zhǎng)達(dá)50μm的大尺寸方柱體表面形成。在正偏壓輔助直流等離子體的金剛石同質(zhì)外延生長(zhǎng)中