辉光放电等离子体状态对α-C:H薄膜生长规律的影响研究

发布时间：2018-03-02 15:42

  本文选题：a-C:H薄膜　切入点：等离子体诊断　出处：《中国工程物理研究院》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：辉光放电碳氢聚合物(a-C：H)薄膜的原子序数低、应力小,具有良好的红外光透过性,有利于靶丸内氘氚冰层的红外加热。并且其为非晶的网络结构,避免了晶体的各向异性与晶界。基于上述优点,a-C：H薄膜成为了我国激光惯性约束聚变靶丸首选的烧蚀层材料。激光惯性约束聚变碳氢靶丸在表面粗糙度与缺陷控制方面有着极其苛刻的要求。碳氢靶丸壳层是采用电感耦合辉光放电等离子体聚合技术制备的,目前,针对碳氢靶丸表面缺陷的控制已成为靶丸制备技术的瓶颈难题。单纯通过碳氢壳层制备工艺参数的优化来改善靶丸表面形貌会因影响参数多、相互关联强,变得工作量极大、过程复杂,十分困难。需要对a-C：H薄膜的生长过程与缺陷形成机理开展深入研究。由于a-C：H薄膜沉积过程本质上即为含有活性基团的等离子体与基底之间的相互作用过程,a-C：H薄膜的生长与等离子体组分和状态参数密切相关。要想突破a-C：H薄膜表面粗糙度的控制难题,就须对a-C：H薄膜生长过程中的等离子体特性开展研究,为优化a-C：H薄膜制备工艺参数提供理论指导。在制备碳氢靶丸壳层的辉光放电聚合制备装置中,常采用圆柱形与圆锥形石英管作为等离子体产生腔室。为了深入分析两种放电腔室对a-C：H薄膜生长过程的影响规律,本论文使用质谱和探针相结合的诊断方法,研究了两种放电腔室中等离子体状态的差异,分析了两种放电腔室制备出的a-C：H薄膜在结构、性能和沉积速率等方面存在的差异及其原因。基于对等离子体的原位诊断,研究了射频功率与工作气体流量比对等离子体组分与状态的影响,阐述了不同射频功率与气体流量比下的等离子体状态与涂层表面形貌的内在联系,为a-C：H薄膜的制备工艺优化提供了理论依据。本论文开展的具体工作主要包括以下几个方面：简述了a-C：H薄膜作为烧蚀层材料在激光惯性约束聚变中的作用与意义,通过对国内外研究现状分析,明确了我国在制备a-C：H薄膜方面的差距,以及我国目前在a-C：H薄膜制备领域所存在的问题。针对这些问题提出了解决方案,并陈述了本文的研究内容。详细介绍了制备a-C：H薄膜所采用的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术与成膜原理。同时对郎缪尔探针与质谱这两种在线的等离子体诊断技术的工作原理作了简要阐述,并对本论文中所涉及到的表征方法作了介绍。开展了圆柱形与圆锥形两种放电腔室中Ar等离子体的物理特性研究,分析了圆锥形放电腔室更利于制备出性能优异的a-C：H薄膜的原因。使用探针对低气压下两种放电腔室中的等离子体特性进行径向空间诊断,讨论了在非局域性电子动力学下两种放电腔室中等离子体参数的分布情况。针对不同的放电气压,研究了两种放电腔室在电子加热机制转变和电子动力学转变过程中的放电特性。研究表明：圆锥形腔室的等离子体密度径向空间均匀性更好。同时,随放电气压升高,在两种放电腔室中都观察到EEPFs从Maxwell分布转变为类Druyvesteyn分布,表明加热机制由电子随机加热转变为欧姆加热。在所有气压下,圆锥形腔室中电子密度均高于圆柱形。开展了圆柱形与圆锥形两种放电腔室中等离子体的离子组分与能量分布研究。针对两种放电腔室,在不同射频功率下的氢气放电,采用了质谱和探针两种方法对氢等离子体进行了诊断分析,研究了两种腔室中等离子体的离子组分、离子能量和状态参数(等离子体电势、电子能量、密度等)的异同,并进一步分析了等离子体状态差异对薄膜生长的影响。结果表明：相对于圆柱形腔室,圆锥形放电腔室中离子基团的裂解程度更高,等离子体对射频功率的响应更加稳定,等离子体密度略高。开展了基于a-C：H薄膜在生长过程中等离子体状态的原位诊断,射频功率和T2B/H2气体流量比对a-C：H薄膜生长过程中的等离子体状态、薄膜的沉积速率、化学组分、官能团结构、表面形貌以及粗糙度的影响规律的研究。深入分析了不同射频功率与不同T2B/H2气体流量比下a-C：H薄膜的生长过程。研究发现：较小的射频功率导致离子二次聚合发生的几率更大,易形成多碳的碳氢基团。射频功率增大,碳氢片段离化程度更高,小分子碳氢片段的刻蚀效应更为显著。高能的碳氢片段对薄膜表面的轰击是a-C：H薄膜“凹状”缺陷形成的主要原因。在射频功率为30W、T2B/H2气体流量比为0.6：10的工艺参数下,获得了具有最小均方根粗糙度的a-C：H薄膜。最后,就本论文的研究工作作了总结,并对下一步工作进行了展望。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O484.1

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本文编号：1557137