本文選題：等離子體技術(shù) + 低氣壓放電　； 參考：《大連理工大學》2016年博士論文

【摘要】：低溫等離子體技術(shù)是材料改性和薄膜合成的重要手段之一,受到各國學者的廣泛關(guān)注。一種新型等離子體放電技術(shù)的出現(xiàn)往往會推動材料改性和薄膜合成技術(shù)發(fā)生革命性改變。近年來受到廣泛關(guān)注的大氣壓射流等離子體放電可以產(chǎn)生高活性的等離子體,己經(jīng)在材料合成、材料表面改性、醫(yī)療器械殺菌等方面顯示出良好的應(yīng)用前景。在薄膜合成方面,大氣壓射流等離子體技術(shù)可以實現(xiàn)室溫下的等離子體增強化學氣相沉積(PECVD),但所制備的薄膜質(zhì)量無法滿足實際應(yīng)用的要求。本論文主要討論了一種類似于大氣壓射流等離子體的低氣壓管式放電技術(shù),進而發(fā)展出一種基于低氣壓管式放電的PECVD技術(shù)。利用這種新型PECVD裝置,成功實現(xiàn)了非晶氮化硅(a-SiNx:H)薄膜在室溫條件下的高速率沉積,并制備出一種新型的量子點薄膜-q-SiNx:H量子點薄膜。本論文的主要研究內(nèi)容如下：(一)低氣壓管式放電技術(shù)研究：設(shè)計了一種低頻(20-80 kHz)驅(qū)動的低氣壓管式放電等離子體產(chǎn)生裝置,實現(xiàn)N2、02、Ar等多種氣體在低氣壓(0.1-200 Pa)條件下的穩(wěn)定放電。研究結(jié)果表明,這種管式放電等離子體不同于常規(guī)的低氣壓放電等離子體,存在截然不同的兩個放電狀態(tài),分別為G放電模式和SP放電模式。G放電模式產(chǎn)生的等離子體主要約束在管內(nèi)的電極附近,等離子體輝光區(qū)隨放電功率的增加而逐漸擴大；當放電功率增加到某一臨界值時,G放電模式立即轉(zhuǎn)變?yōu)镾P放電模式,同時,等離子體輝光區(qū)拓展到放電管之外,形成等離子體羽輝。等離子體放電特性分析顯示,G模式屬于容性放電,而SP模式屬于阻性放電,并伴有周期性強放電脈沖的產(chǎn)生,瞬時脈沖放電功率高達1 kW以上,這與電源放電功率、氣壓、氣體種類有關(guān)。在12 Pa的N2環(huán)境下,115W驅(qū)動的SP放電可以使等離子體羽輝中的等離子體密度高達0.5x1012cm-3,放電電流密度高達27 A/cm-2。在此基礎(chǔ)上,進一步探討了這種新型低氣壓等離子體技術(shù)在等離子體刻蝕、等離子體氮化、等離子體輔助脈沖激光沉積等方面的應(yīng)用。(二)低氣壓管式放電氮等離子體研究：在最小二乘優(yōu)化理論的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一套針對N2分子第二正帶發(fā)射光譜的擬合軟件,具有操作簡單、分析速度快、擬合精度高、無需對原始光譜進行預(yù)處理等特點。該軟件完全消除了等離子體光譜擬合過程中的人為因素,并可以滿足海量等離子體光譜數(shù)據(jù)的高效處理。在此光譜擬合軟件的基礎(chǔ)上,分析了氮等離子體放電過程中,N2分子的轉(zhuǎn)動溫度、振動溫度隨放電功率的變化,研究了N2分子的轉(zhuǎn)動溫度、振動溫度在等離子體放電管中的空間分布。研究結(jié)果進一步證明了G放電和SP放電分屬于兩種不同的等離子體放電模式。在G放電模式中,N2分子的轉(zhuǎn)動溫度略高于室溫(320 K),且基本不隨放電功率顯著變化,而振動溫度卻隨放電功率的增加逐漸增大,但一般小于3500 K。當放電轉(zhuǎn)變到SP放電模式時,N2分子的振動溫度驟升至5000 K左右,但隨放電功率的增加而有所下降,而轉(zhuǎn)動溫度卻隨放電功率的增加逐漸增大至～700 K。此外,利用位于746.83、821.63和868.03 nm的三條N原子線(對應(yīng)于N原子的4S3/2°→4P5/2、4P5/2°→4P5/2和4D7/2o→4P5/22躍遷)的譜線強度,提出了一種用于確定非玻爾茲曼分布等離子體中與激發(fā)光譜相關(guān)的電子溫度的自洽計算方法,進而利用等離子體發(fā)射光譜分析了氮等離子體中N：分子的解離率隨放電功率的變化。研究結(jié)果顯示,在SP放電模式下,N2分子的解離率隨放電功率的增加呈線性增長趨勢,與放電頻率沒有明顯的關(guān)聯(lián)；在放電功率為115 W時,N2分子的解離率高達-15%,從而證明這種低氣壓管式放電可以產(chǎn)生高活性等離子體。(三)基于低氣壓管式放電的PECVD系統(tǒng)及其在薄膜沉積方面的應(yīng)用：在高活性低氣壓管式放電等離子體的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種可以分立輸送活性氣體(Nz)與反應(yīng)氣體(SiH4)的新型PECVD裝置,避免了氮等離子體放電因氣體的引入而發(fā)生明顯改變,從而保證了氮等離子體的高活性,進而實現(xiàn)了非晶氮化硅(a-SiNx:H)薄膜在室溫條件下的高速率生長。以N2和Ar+5%SiH4為氣源,在沒有對硅基片進行加熱的條件下,成功制備出低H含量的a-SiNx:H薄膜,沉積速率在100 mm/min以上,遠高于目前文獻報道的最高室溫沉積速率。分析結(jié)果顯示,a-SiN.:H薄膜中H原子密度約為1.0±-0.2×1022 cm-3,甚至可以更低,而薄膜的表面粗糙度僅為亞納米量級。研究發(fā)現(xiàn)a-SiNx:H薄膜的沉積速率與N2解離率之間滿足很好的線性關(guān)系,從而證明了N原子在室溫沉積a-SiNx:H薄膜的過程中起到至關(guān)重要的作用。另外,這種基于低氣壓管式放電的PECVD系統(tǒng)的體積很小,可以用于容器內(nèi)壁表面的薄膜沉積,同時,這種小型PECVD裝置又可以大面積集成,并適用于復(fù)雜形狀工件表面鍍膜,因此具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。(四)a-SiNx:H量子點薄膜的制備與表征：在室溫沉積a-SiNx:H薄膜過程中,通過加入少量02,成功合成一種新型的非晶氮氧化硅(a-SiNxOy:H)薄膜。分析表明,這種薄膜是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的a-SiOx:H和a-SiNx:H復(fù)合薄膜,即a-SiNx:H以團簇的形式鑲嵌于a-SiOx:H基質(zhì)中,從而構(gòu)成a-SiNx:H量子點結(jié)構(gòu),進而實現(xiàn)a-SiNx:H的高效發(fā)光。光譜分析表明,a-SiNx:H量子點具有明顯的量子限域效應(yīng),并確定a-SiNx:H材料的激子半徑約為4.8 nm,有效質(zhì)量為0.05電子質(zhì)量。此外,在非晶半導(dǎo)體熒光理論的基礎(chǔ)上,探討了a-SiNx:H薄膜的光致熒光機制,理論分析與實驗結(jié)果高度吻合。
[Abstract]:The plasma enhanced chemical vapor deposition ( PECVD ) in low air pressure ( 0.1 -200 Pa ) has been successfully realized by plasma discharge of low frequency ( 20 - 80 kHz ) . The results show that the plasma enhanced chemical vapor deposition ( PECVD ) in low pressure ( 20 - 80 kHz ) has been successfully realized .
On the basis of the theory of least square optimization , the plasma density of the N2 molecule is higher than room temperature ( 320 K ) , and the discharge current density is up to 27 A / cm - 2 . The results of the study further prove that the plasma density in the plasma plume is up to 0 . 5x10 cm - 3 , and the discharge current density is up to 27 A / cm - 2 .
In this paper , a novel PECVD system based on low - pressure tubular discharge is designed , which can be used for the deposition of amorphous silicon nitride ( a - sinx : H ) film at room temperature . A new type of amorphous silicon oxynitride ( a - SiNxOy : H ) thin film is synthesized by adding a small amount of 02 . The results show that the structure of a - SiNxOy : H has a distinct quantum confinement effect .
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O53;O484

【相似文獻】

相關(guān)博士學位論文 前1條

1 石德權(quán);低氣壓管式放電等離子體及制備非晶氮化硅薄膜研究[D];大連理工大學;2016年

，

本文編號：1950072