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掺硅类金刚石薄膜研究

作　者: 唐定平
导　师: 何智兵；李玲
学　校: 四川师范大学
专　业: 理论物理
关键词: 掺硅类金刚石碳膜低压等离子体化学气相沉积结构性能
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本论文采用低压等离子体化学气相沉积方法(LPP-CVD),分别在四甲基硅烷(TMS)、反式二丁烯(T2B)、氢气(H2)混合气体下,成功的制备出了掺硅氢化非晶碳(a-C：H)薄膜。利用台阶仪、X射线光电子能谱(XPS)、傅立叶变换红外吸收谱(FTIR)、紫外-可见光谱(UV-VIS)等测试手段,对薄膜的沉积速率、成分、微观结构及光学等性能进行了测试和表征,建立了薄膜的沉积速率、成分、微观结构及性能与制备工艺参数的关系,获得了优化的工艺参数。研究了主要参量(如源气体流量比、工作气压、射频功率等)对薄膜沉积速率的影响。结果显示,在压强为10Pa,射频功率为l0W,氢气流量为0.5sccm,.反式二丁烯为0.6sccm,四甲基硅烷为0.05sccm条件下可制备出沉积速率为12. Onm/min的高光洁度薄膜。利用红外光谱研究DLC薄膜化学结构显示,制备的薄膜中氢含量较高,薄膜中碳氢原子形成的基团中以sp3CH3为主。研究表明,T2B含量少的样品吸收峰强于含量大的样品,即其含有更多的C=C键。随着气压升高,样品中C=C键的含量下降。射频功率较大样品的吸收峰强于较小的样品,即其含有更多的C=C键。本文研究了在不同TMS流量条件下制备的掺硅薄膜。研究表明：薄膜中成功地掺入了硅(Si)元素；薄膜中Si元素主要以Si-C、Si-H等键合形式存在；在TMS流量为0.5sccm～2sccm的范围内,薄膜中Si的原子浓度为0.72-1.35at.%；随着TMS流量的逐渐增加,薄膜中硅含量逐渐增大。研究了工艺参数对薄膜紫外-可见光透射光谱和光学带隙的演变规律。结果表明,薄膜在可见光区域具有良好的透过率,最高可达98%,在紫外波段范围内具有强吸收特性。薄膜的光学带隙在2.33-2.82eV范围。薄膜光学带隙与薄膜的结构有很大关系,特别是与薄膜中sp3杂化键以及C=C双键含量具有直接关系。通过薄膜的热稳定性研究,发现氢含量过多或者过少都会使薄膜失重较多,只有氢在合适比例情况下才能制备出结构致密的薄膜,同时这也验证了氢在薄膜制备过程中的重要作用。压强较大的薄膜的裂解温度相对较高,裂解吸热量较小。通过改变参数以及退火能够得到热稳定性较好的薄膜。因此有理由相信类掺硅金刚石碳膜在惯性约束聚变(ICF)实验研究中将有较好的应用前景。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-24
  1.1 类金刚石碳膜  9-11
    1.1.1 类金刚石碳膜的结构  9-10
    1.1.2 类金刚石碳膜的研究发展过程  10-11
  1.2 类金刚石碳膜性能与应用领域  11-14
  1.3 类金刚石碳膜常用的制备方法  14-19
    1.3.1 物理气相沉积法  14-16
    1.3.2 化学气相沉积法  16-19
  1.4 DLC膜目前存在的主要问题  19-20
  1.5 类金刚石膜掺杂的研究现状  20-22
    1.5.1 对疏水性的影响  20
    1.5.2 对光学性能的影响  20-21
    1.5.3 对摩擦、磨损性能的影响  21
    1.5.4 对电学性能的影响  21-22
    1.5.5 对热稳定性的影响  22
    1.5.6 对力学性能的影响  22
    1.5.7 对生物相容性的影响  22
  1.6 本课题的研究背景及意义  22-23
  1.7 本课题的研究内容  23-24
第二章掺硅类金刚石碳膜的制备及表征方法  24-28
  2.1 引言  24
  2.2 掺硅类金刚石碳膜的镀膜设备  24-25
  2.3 样品分析测试方法  25-28
    2.3.1 膜厚测量  25
    2.3.2 X射线光电子能谱(XPS)  25-26
    2.3.3 傅里叶变换红外光谱(FTIR)  26
    2.3.4 紫外可见光谱(UV-VIS)  26-27
    2.3.5 热分析仪测试  27-28
第三章掺硅类金刚石碳膜结构表征  28-47
  3.1 掺硅类金刚石碳膜的沉积速率  28-31
    3.1.1 T_2B/H_2流量比对掺硅DLC膜沉积速率的影响  28-29
    3.1.2 压强对掺硅DLC膜的沉积速率影响  29-30
    3.1.3 功率对掺硅DLC膜的沉积速率影响  30-31
  3.2 掺硅类金刚石碳膜的傅里叶变换红外光谱研究  31-35
    3.2.1 T_2B/H_2流量比对掺硅DLC膜红外光谱的影响  31-33
    3.2.2 压强对掺硅DLC膜红外光谱的影响  33-34
    3.2.3 射频功率对掺硅DLC膜红外光谱的影响  34-35
  3.3 掺硅类金刚石碳膜的XPS光谱研究  35-41
    3.3.1 T_2B/H_2流量比对掺硅DLC膜XPS光谱的影响  35-38
    3.3.2 压强对掺硅DLC膜XPS光谱的影响  38-41
  3.4 四甲基硅烷流量对掺硅类金刚石碳膜的结构影响  41-47
    3.4.1 薄膜的傅立叶变换红外光谱  42-43
    3.4.2 薄膜的X射线光电子能谱(XPS)  43-47
第四章掺硅类金刚石碳膜的紫外-可见光谱及热稳定性分析  47-59
  4.1 掺硅类金刚石碳膜的紫外-可见光光谱研究  47-52
    4.1.1 工作气压对掺硅DLC膜紫外-可见光光谱的影响  47-49
    4.1.2 T_2B/H_2流量比对掺硅DLC膜紫外-可见光光谱的影响  49-50
    4.1.3 射频功率对掺硅DLC膜紫外-可见光光谱的影响  50-52
  4.2 掺硅类金刚石碳膜热稳定性研究  52-59
    4.2.1 T_2B/H_2流量比对掺硅DLC膜热稳定性的影响  52-55
    4.2.2 压强对掺硅DLC薄膜热稳定性的影响  55-59
第五章结论与展望  59-61
  5.1 主要结论  59-60
  5.2 后续研究工作的展望  60-61
参考文献  61-72
致谢  72-73
附录  73

掺硅类金刚石薄膜研究

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