微波等離子體化學氣相沉積技術（Chemical Vapor Deposition）是近幾十年來發(fā)展起來的用于制備碳材料的新技術,并且相比于其它的CVD技術,微波等離子CVD技術具有沉積質量高、沉積面積大、沉積過程穩(wěn)定等優(yōu)點。現(xiàn)階段微波等離子體CVD技術是合成高品質碳材料的最佳方法,但是其瓶頸在于沉積速率偏低,該設備的沉積速率范圍一般在0.1～34?m/h,并且現(xiàn)在人們對該技術的沉積機制的認識還在探索中。本文針對工藝參數對微波等離子體特征的影響規(guī)律和沉積腔內的化學反應動力學過程進行了研究,為解決微波CVD技術的瓶頸問題奠定一些基礎。首先本文針對微波等離子體構建了一個耦合的多物理場模型,涉及到了電場、等離子體以及溫度場,不同的物理場之間通過傳遞相關的物理量實現(xiàn)耦合。電磁場激發(fā)產生的等離子體的特征通過:電場強度、電子密度、氣體溫度和電子溫度來進行表征。通過研究發(fā)現(xiàn),不同的特征量對工藝參數的敏感程度不同,電場強度和電子密度受微波功率的影響較大,而氣體溫度和電子溫度受沉積壓力的影響較大。并且等離子體球的體積隨著微波功率的增加而增大,隨著沉積壓力的增加又有所縮小,所以要想在保證等離子球大小不變的前... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數】：75 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

三種CVD技術的原理圖

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-6-出電子溫度，最后再將電子溫度耦合到氣體的傳熱方程中去，實現(xiàn)自洽耦合。國內北京科技大學的研究團隊在MPCVD沉積裝置模擬方面開展了較多工作[21,22]。他們從所要獲得的重要物理參數出發(fā)（電場場強、電子密度、氣體溫度）提出了一種簡化的計算模型，即從微波電場的求解模塊、等離子體的求解模塊、氣體溫度分布的求解模塊入手，獲得三個偏微分程，并將偏微分方程聯(lián)立求解，即可以獲得待求的物理量。20()0rrEkE=222e(D)evreaeienRnRn=REn楨(1-2)()ghkT=Q其中r和r分別為介質的相對磁導率和相對介電常數；0k是微波在真空中傳播的波數；eD是雙極擴散系數；vrR、aR和iR分別指的是電子與離子、中性分子、氣體分子之間碰撞的復合、吸附和電離的速率常數；hQ為等離子體吸收微波的功率密度。圖1-2微波激發(fā)產生的等離子體[18]上述都是主要從等離子體模擬的角度出發(fā)，接下來從化學氣相沉積的角度來描述近些年來國內外的研究現(xiàn)狀。在1989年Harris[23]提出了一種涉及10種反應物質，20個化學反應過程的動力學模型。研究了熱絲化學氣相沉積的過程中各種中性基團的分布，重點探究了沉積過程中的主要物質H、CH3和C2H2等的分布。研究發(fā)現(xiàn)H原子在化學氣相沉積過程中不僅僅起到優(yōu)先刻蝕石墨的作用，還起到對抑制氣相中芳香族物質的產生起到重要作用。在2005年Lombardi[24]針對鐘罩式微波化學沉積設備如下圖1-3-a所示，建立了一個一維模型，描述了等離子體球內徑向傳熱、傳質和化學反應過程的耦

腫⑵?絞嬌梢越?粱?俁忍岣?0%，均勻性以及質量都較好；而第三種注入方式卻導致沉積速度降低了40%，沉積所得材料的均勻性質量都比較差。Mesbahi通過數值模擬進一步解釋了該現(xiàn)象，其通過數值模擬計算得到第二種注氣方式襯底周圍CH3的濃度分布達到了最大。已有研究表明，碳材料的沉積速度與沉底表面的CH3的濃度呈現(xiàn)正相關，所以從沉積表面附近注入CH4更有利CH4進入高溫區(qū)域生成CH3，而且通入的CH4的流量很低，此時物質的輸運主要靠擴散進行，即保證了材料的均勻性。(a)鐘罩式設備[26](b)第二代SEKI式設備圖1-3兩種微波等離子體化學氣相沉積設備簡圖1.2.2國內外文獻綜述的簡析MPCVD沉積腔中等離子體數值模擬以及關于氣相沉積的研究已經開展了將近30年，至今仍然還有許多問題值得去探討和研究。早期德國的M.Füner開發(fā)的唯象線性模型，只是簡單的將電場強度與電子密度聯(lián)系起來，而影響電子密度的其它因素例如沉積功率、沉積壓力以及等離子體本身的存在對電場的影響，都進行了很大的簡化。最簡單的來講，由于等離子體的趨膚深度的存在，高頻電磁波無法深入到等離子體的核心區(qū)域，所以說等離子體的中心位置不會與電磁場的中心位置完全吻合，然而在線性模型中無法體現(xiàn)出這一點。雖然線性模型非常簡單，但是從設計MPCVD諧振腔的角度來說，M.Füner所提出的模型仍然是簡單而有效的，并且橢球型諧振腔的研制成功也印證了這一點。之后的日本的Yamada在M.Füner的研究基礎上提出了一些改進，并提高了模型的準確性。法國的K.Hassouni選擇一種最為復雜，但是從理論上來講最為準確的方法，其是基于等離子體中的粒子碰撞過程和化學反應來進行研究，涉及各種粒子之間的碰撞、電離、激發(fā)等，并將等離子體中

【參考文獻】：
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碩士論文
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本文編號：3303303