磁控耦合溅射等离子体增强化学气相沉积

DLC及其制备方法介绍
化学气相沉积（CVD）
热丝化学气相沉积（HFCVD）
等离子体增强化学气相沉积（PECVD）
直接光化学气相沉积（DPCVD）
电子回旋共振化学气相沉积（ECR-CVD）
DLC及其制备方法介绍
物理气相-化学气相复合沉积（HPCVD）
Solid source vaporize
samples
DLC阻性电极基材的制备
5、阻性DLC电极基材的电阻值调控—元素掺杂的影响
少量掺氢和掺氮都可显著增大DLC的面电阻，尤其是氢元素的影响更大； 氮掺杂的DLC面电阻很不稳定，随着放置时间的延长电阻显著增大。
DLC阻性电极基材的制备
6、阻性DLC电极基材的电阻值调控—热处理影响
金刚石结构（绝 缘体，超高硬度）
类金刚石结构（介于绝缘 体和导体之间，高硬度）
石墨结构（导 体，低硬度）
DLC具有xxx，xxx等优点，很适合用于制作微结构气体探测器的阻性电极。
DLC在微结构气体探测器中的应用前景
微结构气体探测器（Micro-Pattern Gas Detector，MPGD）具有位置分辨好、计 数率能力高、工作性能稳定、抗辐射能力强、成本造价低廉、易大面积加工制作 等优点，因此在当前的大型核与粒子物理实验中得到了广泛的应用； 放电打火是微结构气体探测器的“公敌”； 阻性电极是抑制微结构气体探测器发生打火放电的有效（唯一）手段。
报告提纲
1、DLC及其制备方法介绍 2、实验室研究平台和已有工作基础 3、DLC阻性电极基材的制备 4、总结和展望
DLC及其制备方法介绍
DLC: 由金刚石结构的sp3杂化碳原子和石墨结构的sp2杂化碳原子构成
a-C：非晶碳 ta-C：四面体非晶碳 a-C:Me (Me=W, Ti, Mo, Al等)：金属掺杂非晶碳 a-C:H: 含氢非晶碳 ta-C:H: 四面体型含氢非晶碳 a-C:H:Me (Me= W, Ti, Mo, Al等)：金属掺杂含氢非晶碳 a-C:H:X (X=Si, O, N, F, B等)：改性含氢非晶碳
DLC及其制备方法介绍
DLC薄膜沉积机理
原子从基底 上再蒸发
热原子
原子沉积 在团簇上
原子基底 上沉积
团簇原子 电离
原子从基底上 再蒸发
（1）复杂的物理化学过程； （2）原子与基体发生完全非弹性碰撞、部 分弹性碰撞、完全弹性碰撞三种现象；
（3）留在表面的吸附气相原子在基体表面 上扩散迁移，互相碰撞结合成原子对或小原 子团，并凝结在基体表面上；
基于类金刚石碳基薄膜的 多元/多结阻构/性多界电面极碳基基复材合薄制膜备平台与研究
On behalf of the resistive DLC collaboration
报告人：尚伦霖 张广安
固体润滑国家重点实验室，中国科学院兰州化学物理研究所
第八届全国先进气体探测器研讨会 ·衡阳 2018年10月13-14日
（4）薄膜行程过程一般可分为凝结过程、 核形成与长大过程、岛形成与生长过程。
原子扩散至团簇
3D原子团簇
团簇形核
薄膜沉积中原子的运动状态以及薄膜的生长过程
（1）岛状生长模式：原子、分子间的结合远强 于其与基体的结合强度；
（2）层状生长模式：原子、分子间的结合弱于 其与基体的结合强度，依次覆盖、层状生长；
Reactive gas (N2,CxHy,NH3···） Inert gas (Ar）
Solid source vΒιβλιοθήκη Baiduporize
（1）包含前驱气体化学分解与固态材料的蒸发或溅射过程； （2）适合复杂工件表面处理，对基体表面进行等离子体刻蚀增加结合力； （3）通过解离前驱气体沉积电阻率大、厚度大的含氢DLC
实验室已有工作平台和工作基础
实验室DLC薄膜沉积设备
非平衡直流磁控溅射
等离子体增强化学气相沉积(自主研制) 多弧-磁控耦合溅射
射频磁控溅射
非平衡直流磁控溅射
高能粒子注入(自主研制)
实验室已有工作平台和工作基础
DLC的表征方法
(a)
(b)
SEM观察DLC薄膜截面(a)和表面(b)微观形貌
非晶基质
纳米晶团簇
DLC阻性电极基材的制备
1、阻性DLC电极基材的制备方法—CF-UBMS
样品烘烤处理 样品装夹固定 抽真空(＜10-5Torr)
样品预处理 沉积DLC薄膜 冷却取样品
DLC阻性电极基材的制备
2、阻性DLC电极基材的电阻值调控—靶电流影响
DLC面电阻受靶电流影响较大，当靶 电流较小时面电阻均匀性好； DLC面电阻随靶电流的增大呈降低的 趋势，可能是由于在较大的电流下溅射出 的碳原子、团簇较多，沉积厚度较大。
强度
实验室已有工作平台和工作基础
总体思路：研、产、用相结合，推进材料体系用于高技术领域
多元/多结构/多界面设计DLC复合薄膜体系
基于理论模拟计算对DLC摩擦学机理研究及设计
DLC在工程领域应用
获国家技术发 明二等奖1项； 省级一等奖1
项；申请专利 40项，授权26 项；专著2部； 论文三百多篇
全书92万字
峰值强度
峰值强度
Raman观察DLC薄膜中 各种碳相键合状态， 1500cm-1附近出现不 对称的宽峰，高斯拟 合为D峰和G峰
结合能/eV
峰值强度
TEM观察DLC薄膜微观结构
结合能/eV
结合能/eV
XPS精细谱可拟合出C-C键、C-O键、C=O或者O-C=O键； C-C键结合能的强峰进一步拟合出sp3峰和sp2峰
（3）层岛复合生长模式：先层状生长，后由于 点阵失配、表面能高和原子键合等因素而改变
岛状生长
层状生长
层状/岛状生长
薄膜的三种生长方式
DLC及其制备方法介绍
物理气相沉积（PVD）
离子束沉积（IBD）
阴极电弧沉积（CVAD）
脉冲激光沉积沉积（PLD）
溅射沉积模型
磁控溅射（MS）
闭合场非平衡磁控溅射（CF-UBMS）
DLC阻性电极基材的制备
3、阻性DLC电极基材的电阻值调控—沉积时间影响
沉积时间越长，DLC厚度越大，面电阻越小； DLC面电阻受到溅射沉积过程中的磁场强度影响较大。
DLC阻性电极基材的制备
4、阻性DLC电极基材的电阻值调控—真空度影响
Higher vacuum
Lower vacuum
DLC面电阻值随着真空度的升高而降低； 较高真空度，DLC面电阻值变化幅度越小，均匀性好，而较低真空度变化幅度较大。