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大气压射频Ar/H_2/SiCl_4等离子体射流实验诊断及其沉积硅薄膜研究

作　者: 刘莉莹
导　师: 王德真；张家良
学　校: 大连理工大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 大气压等离子体射流等离子体诊断发射光谱薄膜沉积 XPS
分类号: TN304.055
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

大气压冷等离子体射流技术是近年来新兴的一种等离子体技术,其宏观低温特性及其中含有的大量活性物种使其在材料加工、生物改性、杀菌消毒等领域有广泛的应用前景。其操作简便并可在开放环境下工作的特点也使其备受青睐。本文设计了一种大气压冷等离子体射流源并对其进行参数诊断,在此基础上在薄膜沉积工作方面进行一些尝试。硅薄膜因其优异的性能而在太阳能电池、集成电路、传感领域中具有广泛应用,其制备多在真空或较高气压环境下,往往需要反应腔及真空设备。我们在采用自行设计的等离子体源,以较为安全的SiCl4为硅源,在开放环境中进行了硅薄膜沉积研究。以大气压等离子体射流发生装置的设计、等离子体参数的诊断以及薄膜的沉积为主线开展了以下工作：描述了自行设计制作的两种大气压等离子体射流源及其放电现象。给出了放电的照片、放电电流、电压曲线以及伏安曲线,并从理论上对放电现象的变化加以解释,为确定适合进行薄膜沉积的大气压等离子体源寻求依据。发现平行平板打孔的结构电极较适合于薄膜沉积工作。随着功率的增加,条形孔和圆形孔电极的放电模式都经历了α模式向γ模式的转变,并且在一定的功率范围内α与Y模式可以共存,5slpm的纯氩气放电这一范围是50W-70W。从放电的稳定性及可长时间宽范围工作的角度考虑,不锈钢材料的圆孔结构电极是比较理想的选择。对自行设计的装置产生的等离子体采用等效电路法计算了电子密度,采用发射光谱法诊断了温度。研究了一种新的利用全电路欧姆定律计算电子密度的方法,考察了两种孔型的平行平板结构电极的电子密度随外加功率、电流电压相位差、电极间距以及气体流速变化的趋势。对于单一种类气体的射频容性放电,只要满足ωpe>>ω、vm2>>ωpe2,都可以通过测量电流电压峰峰值获得电子密度。对同一个电极而言,大的外加功率、小的电极间距以及合适的流速会产生电子密度相对较高的等离子体。采用发射光谱法分别对纯氩气放电和混合气体放电进行了诊断。在纯氩气放电中,分别采用氮气和OH(A2∑→X2п)的谱带拟合了振动温度和转动温度,氩原子谱线拟合了电子激发温度,转动温度随功率的增加而增加,随气体流速的增加而降低趋势,但电子激发温度变化不大。在混合气体放电中,利用硅原子谱线强度计算了电子激发温度,研究了放电功率、气体流量等参数对其的影响。由于采用硅原子谱线计算得到的电子激发温度是解离消耗掉一部分电子后剩余电子的激发温度,可以认为其变化趋势与解离得到的硅原子总数相反。随着功率、SiCl4流量和氩气流量的增加电子激发温度均呈下降趋势。氢气分子与SiCl4分子的解离能相差不大而“抢夺”电子能量,氢气的混入导致硅原子发射强度明显减小。采用自行设计的大气压等离子体射流装置,以氩气、四氯化硅和氢气的混合气体为放电气体,在开放环境中分别以单晶硅、陶瓷和普通玻璃为衬底进行了硅薄膜沉积研究。对薄膜的厚度、成分、表面形貌及沉积温度等进行了表征。发现沉积出的薄膜存在氧化层,解释了氧化机理,比较了沉积时间、氢气流量对薄膜成分的影响。薄膜沉积初期衬底温度不高,此时的氧化过程主要由空气中的氧气被等离子体分解产生自由基造成,氧化过程与等离子体参数密切相关。沉积时间增加使衬底温度增加,超过150°时,SiCl4直接水解为二氧化硅,此时的氧化过程还与SiCl4流量有关。氢气流量从多方面影响薄膜生长过程：氢气流量越大,薄膜的沉积速率和氧化速度都低,Si-H键对抑制薄膜氧化有相当重要的作用。但过大的氢气流量会使放电熄灭。较小的氩气流量有利于抑制薄膜的氧化过程同时节约成本,但过小的氩气流量会影响放电及其作为射流的特性。过大的四氯化硅流量不但造成浪费,也容易使薄膜被氧化。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-30
  1.1 大气压冷等离子体概述  11-18
    1.1.1 电晕放电  11-14
    1.1.2 介质阻挡放电  14-16
    1.1.3 大气压冷等离子体射流  16-18
  1.2 硅薄膜的分类及应用  18-23
    1.2.1 硅薄膜的分类  18-20
    1.2.2 硅薄膜的应用  20-23
  1.3 等离子制备硅薄膜研究现状  23-27
    1.3.1 采用不同的等离子源开展的工作  25-26
    1.3.2 采用不同硅源的工作  26-27
  1.4 本文的研究背景和内容  27-30
    1.4.1 本文的研究背景  27-29
    1.4.2 本文的研究内容  29-30
2 大气压等离子体射流发生装置  30-44
  2.1 同轴电极结构  30-33
  2.2 打孔电极装置  33-43
    2.2.1 圆孔电极  34-39
    2.2.2 条形孔电极  39-40
    2.2.3 孔的尺寸和电极材料对放电的影响  40-43
  2.3 本章小结  43-44
3 大气压冷等离子体射流的参数诊断  44-77
  3.1 等离子体诊断技术简介  44-47
  3.2 电学方法诊断大气压等离子体射流电子密度  47-58
    3.2.1 等效电路法诊断大气压等离子体射流电子密度的原理  47-53
    3.2.2 等效电路法诊断大气压等离子体射流电子密度结果及讨论  53-58
  3.3 发射光谱法诊断大气压等离子体射流温度  58-74
    3.3.1 纯氩气放电中振动温度、转动温度及电子激发温度的测量  59-65
    3.3.2 Ar/H_2/SiCl_4混合气体中电子激发温度的测量  65-74
  3.4 本章小结  74-77
4 大气压射流装置沉积硅薄膜的实验研究  77-99
  4.1 薄膜的制备  77-79
  4.2 薄膜的表征方法  79-80
  4.3 薄膜的厚度与生长速率  80-81
  4.4 薄膜的成分  81-90
    4.4.1 样品中的元素种类  81-82
    4.4.2 不同样品的元素沿深度分布情况  82-84
    4.4.3 薄膜中硅元素的存在形态及薄膜的氧化机理  84-90
  4.5 薄膜的形貌  90-93
    4.5.1 外加功率对薄膜形貌的影响  90-91
    4.5.2 四氯化硅流量对薄膜形貌的影响  91-92
    4.5.3 氢气流量对薄膜形貌的影响  92
    4.5.4 氩气流量对薄膜形貌的影响  92-93
  4.6 在其他衬底上沉积薄膜的尝试  93-97
    4.6.1 实验参数的选择  93-94
    4.6.2 在玻璃衬底上沉积硅薄膜  94-96
    4.6.3 在陶瓷衬底上沉积薄膜  96-97
  4.7 本章小结  97-99
5 结论与展望  99-103
  5.1 本文主要结论  99-101
  5.2 对未来工作的展望  101-103
参考文献  103-113
本文创新点摘要  113-114
攻读博士学位期间发表学术论文情况  114-115
致谢  115-116

大气压射频Ar/H_2/SiCl_4等离子体射流实验诊断及其沉积硅薄膜研究

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