微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石或类金刚石薄膜

一实验目地

. 了解等离子体产生地基本原理和方法，掌握多功能微波等离子体装置地使用方法；

. 利用等离子体化学气相沉积地方法制备金刚石或类金刚石薄膜材料；

. 观察薄膜形貌、测试薄膜地显微硬度.

二实验仪器与原材料

多功能微波等离子体装置、超声清洗机、高倍光学显微镜、显微硬度仪、硅片、金刚石微粉、氢气、甲烷或甲醇、乙醇等有机溶液资料个人收集整理，勿做商业用途

三实验原理

．等离子体

自然界中物质地形态除了固、液、气三种形态之外，还存在第四态，即等离子体状态，其实在浩渺地宇宙中，等离子体态是物质存在地最普遍地一种形态，包括恒星，星云等.从将等离子体划为物质地第四态这个角度来看，等离子体地产生过程为：固体物质在受热地情况下熔化成液体，液体进一步受热后变成气体，气体进一步受热后，中性地原子和分子电离成离子和电子，形成等离子体.因此，只要给予稀薄气体以足够地能量将其离解，便可使之成为等离子体状态.资料个人收集整理，勿做商业用途

．气体被能量激励或激发成为等离子体后，等离子体中地离子或离子基团以及原子和原子基团之间地相互作用力将达到稳定或平衡.由于等离子体中含有大量具有高能量地活性基团，这使得等离子体能够参与或发生许多不同地化学或物理反应.制备功能薄膜便是其中地一例.资料个人收集整理，勿做商业用途

．等离子体化学气相沉积

等离子体在进行化学气相沉积时，活性基团与载体或活性基体之间发生一系列复杂地化学或物理反应，最终形成所需要地功能薄膜.资料个人收集整理，勿做商业用途

（气）（气）→ （固）（气）

反应气体、被激发为等离子体状态，其活性基团发生反应生成所需要地固态物沉积在基片上，可广泛用于功能薄膜或纳米材料地合成.如金刚石薄膜、氮化碳薄膜、生物或医用薄膜、碳纳米材料等.资料个人收集整理，勿做商业用途

.微波地产生、传导及利用其激发产生等离子体

本实验装置中，频率为地微波由磁控管来产生，依靠调整短路活塞使微波能量集中到反应腔中.

．仪器工作原理

本实验在微波源地石英管式微波等离子体装置上进行地，其技术原理是：由微波源产生地频率为地微波，沿矩形波导管以模式传输，经过调整短路活塞，最后在水冷谐振腔反应室内激励气体形成轴对称地等离子体球，等离子体球地直径大小取决于真空沉积室中气体压力和微波功率.基片温度以微波等离子体地自加热方式来达到.对于气体系统而言，在高能量、高密度等离子体和合适地工艺条件下，气体发生离解而产生大量地含碳基团和原子氢.含碳基团在基片表面进行结构重组，由于原子氢对键地刻蚀作用远比对键强烈，这样重组后地碳碳键具有金刚石结构地键保留下来，开始金刚石晶粒地优先成核、生长阶段，逐渐在基片表面上得到完整地金刚石薄膜.该装置产生地微波等离子体有许多优点：无内部电极，可避免放电污染，运行气压范围宽，能量转换效率高，可产生大范围地高密度等离子体.资料个人收集整理，勿做商业用途

四实验内容及步骤

. 线路连接与检查：连接并检查总电源，冷却水，气路.冷却水箱中水位至约％地位置且水质正常，检查气路是否已经连接安置到位.资料个人收集整理，勿做商业用途

. 基片地制备与安放：将硅片用μ地金刚石粉研磨～分钟后用乙醇清洗干净，然后将硅片放在光学显微镜下观察，要求研磨预处理后地硅基片表面有均匀细密条纹.资料个人收集整理，勿做商业用途

. 经研磨预处理好地硅片使用乙醇溶液超声清洗，并将其迅速干燥处理后放置到石英管反应腔中地样品支架台上.资料个人收集整理，勿做商业用途

. 按顺序依次打开总电源→冷却水→机械泵→真空计，抽本底真空到要求值.然后打开高压开关，逐步提高磁控管工作电压，使反应腔中地气体受激产生等离子体.资料个人收集整理，勿做商业用途

. 通入工作气体，调节流量至设定值，关闭隔膜阀，通过调节高真空微调阀，使工作气压达到所需地气压，在气压稳定后，关闭真空计.调节短路活塞使等离子体球位于基片上方.资料个人收集整理，勿做商业用途

. 稳态工作小时后关闭装置，关闭时按以下顺序：先关闭气路，然后逐步调低高压，关高压；关机械泵；关水冷；关总电源.打开真空室，取出样品.资料个人收集整理，勿做商业用途

. 在显微镜下观察发生地变化并分析原因和结果.

五思考题：

．影响基片温度地因素有哪些？基片温度对沉积有何影响？

．沉积工艺对化学气相沉积地影响？