【摘要】：等離子體技術(shù)可以產(chǎn)生具有化學(xué)活性的基團(tuán),已被廣泛用于材料特性的改變；可以制造出具有特殊結(jié)構(gòu)和表面特性的材料,這種效果往往是無(wú)法用其他商業(yè)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的。對(duì)世界主要的制造工業(yè)來(lái)說,等離子體處理技術(shù)起著極其重要的作用。低溫等離子體應(yīng)用已經(jīng)成為一項(xiàng)具有全球影響力的重要科學(xué)工程,對(duì)高科技經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及傳統(tǒng)工業(yè)的改造有著巨大的影響。 工業(yè)上低溫等離子體放電大都由電磁場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生,如射頻(RF)放電、微波放電等。RF(頻率在1-500MHz)放電與直流放電相比,能夠在較低的氣壓下工作(等離子體的阻抗隨頻率的增大而減小),有效的電離機(jī)制(電子能夠在整個(gè)周期里獲得能量),空間分布很均勻；與微波放電相比,RF電源價(jià)格更便宜且電源功率更大以上這些特點(diǎn)使得RF等離子體成為工業(yè)應(yīng)用最普遍的選擇。 本論文依托現(xiàn)有等離子體放電系統(tǒng),通過調(diào)研和材料表面處理特殊要求,分析,設(shè)計(jì)、搭建研制了新型RF等離子體放電系統(tǒng),相關(guān)放電系統(tǒng)的研制,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)思想,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。主要表現(xiàn)在： (1)搭建研制了中等磁場(chǎng)(～6300G)的螺旋波等離子體(HWP)放電系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)態(tài)的HWP放電；通過等離子體診斷開展等離子體特性研究,推進(jìn)了新型診斷技術(shù)——磁絕緣折流探針的研制,并取得了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在此基礎(chǔ)上,首次提出強(qiáng)磁場(chǎng)EAST的放電方案,成功實(shí)現(xiàn)EAST壁清洗實(shí)驗(yàn)。為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Tokamak壁處理提供了有價(jià)值的科學(xué)參考。 (2)首次搭建研制了多頻電感耦合／電容耦合等離子體(ICP/CCP)放電系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了離子能量,離子通量以及等離子體均勻性的獨(dú)立控制；通過碳氟等離子體對(duì)SiC材料的刻蝕／沉積研究,找到了刻蝕／沉積的動(dòng)態(tài)平衡參數(shù),為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可控半導(dǎo)體刻蝕／沉積技術(shù)發(fā)展提供借鑒。 針對(duì)不同放電系統(tǒng)特性及材料處理特殊要求,分別選擇對(duì)應(yīng)于不同放電系統(tǒng)的材料,開展RF等離子體與材料相互作用的研究。得到一系列研究結(jié)果： 1)開展新型磁化RF等離子體放電與處理材料研究：針對(duì)Tokamak上石墨(Ⅳ族)壁材料開展清洗實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明未經(jīng)等離子體處理的樣品表面疏松多孔,平均顆粒尺寸較大,且吸附有大量微小的顆粒狀雜質(zhì),而經(jīng)過HWP處理的樣品的表面更加致密緊實(shí),平均尺寸減小,顆粒狀雜質(zhì)吸附去除明顯。 在中科院等離子體物理研究所EAST裝置上實(shí)現(xiàn)RF電源、真空電極、匹配網(wǎng)絡(luò)和天線連接。在不同形狀尺寸的5類天線、電源頻率、功率、磁場(chǎng)和放電氣壓的條件下開展HWP放電實(shí)驗(yàn)。通過朗繆爾探針測(cè)量系統(tǒng)對(duì)HWP參數(shù)進(jìn)行診斷分析,發(fā)現(xiàn)放電閾值功率較低(50W),反射功率很小。5號(hào)天線比其他天線激發(fā)的等離子體亮度更高,更加均勻；增加極向場(chǎng)后,等離子體沿著磁力線更加容易到達(dá)壁,有望實(shí)現(xiàn)更高效率的清洗 2)利用RF磁控等離子體技術(shù),制備了具有c軸擇優(yōu)取向的、有序的Cr/Cu摻雜ZnO納米棒陣列,納米棒垂直于Si襯底并有序地排列。對(duì)于Zno.94Cro.06O納米棒陣列,光致發(fā)光和X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)結(jié)果表明樣品中存在大量的Zn空位。且樣品在XANES和高分辨率電子透射顯微鏡的測(cè)量范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)二次相的存在。樣品在650℃時(shí)的飽和磁化強(qiáng)度為1.16μB/Cr,且隨著襯底溫度的降低而減小。Zn0.94Cr0.06O納米棒陣列表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定的鐵磁性,認(rèn)為這來(lái)源于以Zn空位為媒介的束縛磁極化子模型。從第一性原理計(jì)算中得出,可以通過控制Zn空位來(lái)調(diào)控Zn0.94Cr0.06O納米棒陣列的鐵磁性,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。 對(duì)于Zn0.92Cu0.08O納米棒陣列,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明樣品中存在大量的O空位,且沒有發(fā)現(xiàn)其它任何二次相的存在。樣品在600℃時(shí)的飽和磁化強(qiáng)度為0.12μB/Cr,且隨著襯底溫度的降低而減小。Zn0.92Cu0.08O納米棒陣列表現(xiàn)出明顯而穩(wěn)定的鐵磁性,其來(lái)源于以O(shè)空位為媒介束縛磁極化子模型。 3)開展復(fù)雜電磁場(chǎng)條件下非磁化等離子體處理材料研究：利用多頻ICP/CCP氮等離子體對(duì)超薄Hf02薄膜摻氮處理,改善了薄膜的表面結(jié)構(gòu),使漏電流特性改善(從4.6×104降到2.1×10-7A cm-2),而其與表面形貌沒有關(guān)聯(lián)。通過改變ICP功率,調(diào)節(jié)電子能量概率分布函數(shù),控制等離子體中N的性質(zhì),使得更多的N原子摻入HfO2薄膜中。通過增加ICP功率,獲得較低的有效電子溫度和離子能量,從而降低薄膜表面的損傷。N原子的摻雜減少了相關(guān)能隙的O空位,從而降低了通過HfO2電介質(zhì)的漏電流。 利用多頻ICP/CCP碳氟等離子體處理SiC材料,通過改變多頻功率,調(diào)制等離子體中各活性基團(tuán)的濃度,從而調(diào)控碳氟等離子體的刻蝕／沉積過程。主要研究了不同等離子體參數(shù)對(duì)SiC材料表面質(zhì)量的影響。同時(shí)研究了C4F8/Ar多頻ICP/CCP對(duì)SiC基片表面粗糙度和化學(xué)成分的影響,并建立模型分析了多頻ICP/CCP處理能有效抑制基片表面碳氟殘留物的原因。 4)低能離子束輔助沉積納米薄膜材料,在石英襯底上制備了透明導(dǎo)電的AZO薄膜。AZO薄膜的結(jié)構(gòu)、電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)和輔源離子束能量密切相關(guān)。在輔源離子束能量為200eV下得到的AZO薄膜,其電阻率最低,為4.9×10-3Ω cm,且可見光透光率最高,為85%以上,并且獲得了絨面結(jié)構(gòu)。 利用N2/Ar離子束輔助濺射沉積高品質(zhì)較厚的Hf1-xZrxO1-yNy柵極絕緣層薄膜。詳細(xì)研究了低能離子束輔助轟擊對(duì)Hf1-xZrxO1-yNy薄膜的化學(xué)組分,熱穩(wěn)定性,表面形貌和光學(xué)特性的影響。通過能譜分析,證實(shí)利用物理氣相沉積法,成功將N摻入了Hf1-xZrxO2薄膜,使得其結(jié)晶溫度超過1100℃
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O539

【參考文獻(xiàn)】

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1 童洪輝,陳慶川,霍巖峰,王珂,穆莉蘭,馮鐵民,趙軍,嚴(yán)兵,耿漫;全方位離子注入及增強(qiáng)沉積工業(yè)機(jī)和應(yīng)用[J];核技術(shù);2002年09期

2 張菁,馮祥芬,謝涵坤,施蕓城,蒲天舒;脈沖射頻等離子體聚合沉積乙烯基乙酸[J];物理學(xué)報(bào);2003年07期

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1 袁強(qiáng)華;雙頻容性耦合等離子體特性的實(shí)驗(yàn)研究[D];蘇州大學(xué);2009年

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本文編號(hào)：2584627