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唯有基于真空环境的PECVD工艺能够制备常压条件下无法合成的材料层


 

 

 

微波等离子体增强化学气相沉积(MW-PECVD)

工业PECVD工艺在真空环境中可以通过从纯直流到微波的电力或电磁电力来维持。供电频率越高,等离子体密度就越高,工艺速度也越快。然而,随着频率的提高,在大面积区域保持良好工艺均匀性变得越来越困难。

德国斯图加特大学的研究人员通过一项独特研发克服了这一局限。采用平行排列的同轴等离子线阵列,可实现大面积(可达平方米)的均匀等离子体放电。该技术将微波功率以横向电磁波(TEM)形式沿纯金属同轴线传输,在特定压力条件下注入真空腔体,其中同轴传输线的外导体被替换为熔融石英或氧化铝等耐火介质材料管。微波穿透介质管后,沿管体外表面激发形成稳定的等离子体放电。这种环形等离子体兼具气体电离功能和高衰减系数外导体特性,可产生超过1000毫米的线性等离子体放电,从而确保大面积基板上等离子体增强化学气相沉积的优异均匀性。

有机改性陶瓷镀膜技术

采用低压真空的PECVD工艺可用于在有机前驱体材料的多种类型的基材上沉积晶体、有机、陶瓷和有机改性陶瓷镀层

例如将六甲基二硅氧烷(HMDSO)或四乙氧基硅烷(TEOS)等液态化合物汽化后,与适量氧气共同通入真空反应腔。在适宜工艺条件下,微波功率将此混合气体转化为等离子体放电,能以高达1微米/秒的沉积速率在基材表面形成纯净石英层

富氧等离子体放电会氧化并去除HMDSO中硅氧主链中的所有有机化学成分,如碳和氢,从而形成具有自然化学计量比的石英层,这一点可以通过X射线光电子能谱(XPS)深度剖面分析证实。此类坚硬但脆性的镀层可使聚合物等软质基材表面硬化,使其具有抗刮擦性能。

 

 

只要等离子体放电中有充足的氧气与HMDSO反应,形成的石英层就会保持坚硬而脆的特性;反之,若氧气不足,未能完全氧化去除HMDSO分子中的有机基团,所沉积的石英层则会呈现不同性质。即使石英层中仅含微量碳元素,也能在保持表面抗刮擦性能的同时获得柔韧性。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析显示这种"有机改性"石英(陶瓷)的组分变化。低压真空等离子体增强化学气相沉积是一种极具通用性的薄膜制备方法,可生产具有特殊性能的薄膜。

 

 

微波等离子体增强化学气相沉积法制备金刚石镀层

从碳的相图来看,金刚石本不应在真空系统中生成。但事实上,在真空系统中金刚石确实能以不同形貌生长。通过热激活或等离子体激活的驱动,甲烷等有机碳前驱体可转化为多晶金刚石层,甚至形成尺寸可观的金刚石单晶。特别是微波PECVD技术,已被证明是调控金刚石层形貌的通用方法。碳原子究竟形成菜花状金刚石生长、三角形<111>面还是矩形<100>面多晶,均受等离子体工艺条件控制。就连单晶基板上多晶金刚石的异质外延生长,也在很大程度上受等离子体参数控制。

 

 

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