采用空心阴极放电等离子体化学气相沉积方法制备a-CH薄膜

1、第16卷第5期2004年5月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.5May,2004文章编号:100124322(2004)0520611204采用空心阴极放电等离子体化学气相沉积方法制备a2CH薄膜陈志梅,吴卫东,唐永建,许华,唐晓虹,李常明(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900)摘要:研究了不同衬底2阴极距离、直流电压和H2流量对a2CH薄膜沉积速率的影响。结果表明:衬底2阴极距离必须大于0.5cm,随着该距离的增加,薄膜的沉积速率减少;直流电压达550V时沉积速率最大;随着H2含量的增加,CH4含量相对减少,沉积

2、速率随之降低。用AFM观察了以该方法制得的448.4nmCH薄膜的表面形貌,表面粗糙度约为10nm。最后测出了不同条件下CH薄膜的UV2VIS谱,由此可以计算得到薄膜的禁带宽度及折射率。关键词:等离子体;化学气相沉积;空心阴极放电;CH薄膜中图分类号:TN304.05文献标识码:A在激光惯性约束聚变(ICF)靶物理实验研究中,许多靶型都含有CH薄膜1。通常采用溶液拉出法制备Formvar膜2,该方法只能在载玻片上成膜,难以将薄膜转移到微小靶材上,Formvar膜不耐高温,在离子轰击下容易被击穿而破裂,且制备的多层靶的成活率低于30%。我们在改造后的多功能真空台上,采用空心阴极)、m以放电等离子

3、体化学气相沉积(CVD)方法制备的CH薄膜具有耐高温(约300强度大、应力小(厚度1下不卷曲),可以直接沉积在微小靶材上等优点,制备的多层靶的成活率达到80%以上,该CH薄膜已成功应用于2002及2003年度“神光”“、星光”装置实验用靶的制备中。1实验原理等离子体CVD的能量耦合方法很多,我们采用直流辉光放电法,而通常形成的等离子体电子密度为1091012/cm33。其基本原理是:给低压容器中的气体加上电场,存在于气体中的极少数电子在电场的作用下被加速,与中性原子或分子碰撞。如果碰撞是弹性碰撞,则原子或分子发生激发、离解或离化,产生许多不同的离子和离子团。重复上述过程,气体会急速电离而形成等

4、离子体。以H2和CH4的混合气体作为原料气体,在辉光放电作用下,该原料气体被激发电离,形成等离子体,然后在置于放电区的基片上聚合生成非晶CH薄膜。CH聚合薄膜的生长包括3个过程:原料气体的活化,活化粒子向基片的输运,在基片上的生长。控制薄膜生长的主要参数有单体流量、气体压力、放电频率及放电功率、单体结构、电极间距等。2实验装置等离子体CVD装置有多种4,我们采用内部电极方式的钟罩型装置,如图1所示。在原有多功能镀膜机的基础上,对镀膜机的真空室进行改造,自行设计并加工了一套新钟罩。作为空心阴极的钼环放置在石英玻璃钟罩的上半部,与原多功能镀膜机的高压电源相接,作为阳极的不锈钢衬底座放置在真空室内使

5、之接地,由于原料气体流况对聚合Fig.1ReactorofthehollowcathodedischargeplasmaCVD图1空心阴极放电等离子体CVD镀膜装置示意图收稿日期:2003211228;修订日期:2004203203基金项目:国家863计划项目资助课题),女,大专,助理工程师;主要从事ICF靶制备研究工作;绵阳9192987信箱。作者简介:陈志梅(1968© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.612强激光与粒子束第16卷物的沉积速率和膜厚分布影响很大,为了改善膜

6、厚的均匀性,我们采用从下部供给单体,基片放置在下部电极上的方式。实验时,先将真空室抽至低于7Pa,通入H2及CH4气体,通过转子流量计控制H2及CH4气体流量;然后在两极间加上一定的直流电压,气体在高压作用下产生辉光放电并电离,形成等离子体,在基片表面开始生成CH薄膜。为了提高沉积速率和放电的稳定性,我们使用空心管状阴极(钼环)。实验表明,空心阴极放电法制备CH薄膜的生长速率是双平板式电极放电法的13倍。3结果分析3.1CH薄膜的沉积速率实验中,CH4流量为6mL/min,沉积时间20min。3.1.1衬底2阴极距离对沉积速率的影响在直流辉光放电中阴极与衬底(阳极)之间的距离起重要作用。该间距

7、只有达到一定尺寸时才能出现辉光放电光柱。我们通过实验得出,要出现辉光放电光柱,衬底与空心阴极的距离必须在0.5cm以上。图2显示了沉积速率与衬底2阴极距离之间的关系(直流电压为450V,H2流量为12mL/min),可以看出衬底2阴极距离对沉积速率的影响很大,随着该距离的增大,辉光放电所产生的电子密度不断减小,从而导致CH片断浓度减小,薄膜沉积速率随之降低。3.1.2直流电压对沉积速率的影响图3显示了沉积速率与直流电压的关系(衬底2阴极距离为2cm,H2流量为12mL/min)。可以看出,当电压为550V时沉积速率存在一极大值。这是由于薄膜沉积与刻蚀是同时存在的,这种刻蚀来源于H+的轰击,直流

8、电压越高,H+到达基片的能量越大,从而使刻蚀速率不断增加;当刻蚀速率超过沉积速率时,便不能在基片上生长出CH薄膜(这时的直流电压为700V)。Fig.2RelationbetweendepositionrateandsubstratedistanceFig.3RelationbetweendepositionrateandDCvoltage图2沉积速率与衬底2阴极距离的关系图3沉积速率与直流电压的关系3.1.3H2流量对沉积速率的影响图4显示了H2流量与沉积速率之间的关系(衬底2阴极距离为2cm,直流电压为450V)。H2流量对薄膜沉积速率影响较大,沉积速率随着H2流量的增大而减小。因为随着H

9、2流量的增大,甲烷含量相对减少,活性CH片断浓度也将减少,因此CH薄膜的沉积速率随之降低。3.2CH薄膜的表面形貌我们用Dimension3000型原子力显微镜(AFM)观测了厚度为448.4nmCH薄膜的表面形貌,如图5所示,CH薄膜的表面粗糙度约为10nm,薄膜结构排列致密。3.3CH薄膜的紫外2可见吸收谱固体的宏观光学性质可由折射率n和消光系数这两个量来描述,它们分别为复折射率nc的实部和虚部5(1)nc=n+i设初始光强为I0,则光在固体中的衰减为-x(2)I=I0e这样有© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.

10、 All rights reserved.第5期陈志梅等:采用空心阴极放电等离子体化学气相沉积方法制备a2CH薄膜613Fig.4RelationbetweendepositionrateandH2flowFig.5AFMpictureofCHfilm图4沉积速率与H2流量的关系图5CH薄膜的原子力显微镜照片=4/0求得n。但当1n4440时,则根据Moss经验规则求得nEg=774(3)式中:为吸收系数;通常由所测得的UV2VIS谱可得到()值,并求得,从而0为光波在真空中的波长。(4)式中的Eg(禁带宽度)由UV2VIS谱中的本征吸收边决定。Fig.6UV2VISspectrumofCHf

11、ilmatvariedsubstratedistanceFig.7UV2VISspectrumofCHfilmatvariedDCvoltage图6不同衬底2阴极距离时CH薄膜的紫外2可见吸收光谱(16的衬底2阴极距离依次为1.5,2,2.5,3.5,4.5,5.5cm)图7不同直流电压时CH薄膜的紫外2可见吸收光谱(15的直流电压依次为300,400,450,500,600V)图68示出了不同条件下所测得的UV2VIS谱,根据这些UV2VIS谱可得到其对应的Eg值,由此求得n。表13给出了不同条件下的CH薄膜的Eg及n的值。表1衬底2阴极距离与禁带宽度及折射率的关系Table1Substra

12、tedistancevsenergygapandrefractiveindexsubstratedistance/cm1.522.53.54.55.5E/eVn2.822.822.812.822.822.822.292.292.282.282.282.28Fig.8UV2VISspectrumofCHfilmatvariedH2voltage图8不同H2流量时CH薄膜的紫外2可见吸收光谱(15的H2流量依次为8,12,17,24,33ml/min)表2直流电压与禁带宽度及折射率关系Table2DCvoltagevsenergygapandrefractiveindexDCvoltage/V30

13、0400450500600Eg/eVn表3H2流量与禁带宽度及折射率关系Table3H2flowvsenergygapandrefractiveindexHflow/(mLmin-1)812172433E/eVn2.812.822.822.812.822.282.272.282.272.272.812.822.852.883.12.312.282.252.232.21© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.614强激光与粒子束第16卷4结论采用空心阴极放电等离子体CVD法制备CH

14、薄膜,操作简便、工艺可靠,制备出的薄膜结构致密,表面粗糙度小,约为10nm,可以沉积在各种不同形状的微小平面靶材上,满足了“神光”“、星光”装置实验用靶要求。参考文献:1WuWD,LuoJS,HuangY,etal.TheproductionofCxHx21filmusinglowpressureplasmaCVDJ.NuclearInstrumentsinPhysicsResearch,2002,A480:8491.2许云书,崔保顺,刘元琼,等.激光物理实验用高聚物薄膜材料的制备J.化学研究与应用,1995,7(4):441444.(XuYS,CuiBS,LuiYQ,etal.Prepara

15、tionofpolymerfilmusinginlaserphysicsexperiment.ChemicalResearchandApplication,1995,7(4):441444)3陈杰.低温等离子体化学及其应用M.北京:科学出版社,2001.(ChenJR.Lowtemperatureplasmachemistryandapplication.Beijing:SciencePress,2001)4田民波,刘德令.薄膜科学与技术(上册)M.北京:机械工业出版社,1991.498569.(TianMB,LiuDL.Filmscienceandtechnology.Beijing:Mac

16、hineIndustryPress,1991.498569)5李明x.半导体物理学M.北京:科学出版社,1998.161180.(LiMF.Semiconductorphysics.Beijing:SciencePress,1998.161180)Productionofa2CHfilmsbyhollowcathodedischargeplasmachemicalvapordepositionCHENZhi2mei,WUWei2dong,TANGYong2jian,XUHua,TANGXiao2hong,LIChang2ming(ResearchCenterofLaserFusion,CAEP

17、,P.O.Box9192987,Mianyang621900,China)Abstract:Thispaperdescribestheprincipleofplasmachemicalvapordeposition(CVD)forfabricationamorphousCHfilmsandfactorswhichinfluencethedepositionrate.Theresultsshowthatthesubstratedistancemustbemorethan0.5cm.Butwiththeincreas2ingofthesubstratedistanceandtheH2flow(thatistosay,theCH4contentreduses),thedepositionratereduses.WhenDCvoltageis550V,thedepositionratehasamaximumvalue.Byexaminingthestructuresandopticalpropertiesofa2CHfilmsusingatomicforcemi2croscopy(AFM)andUV2VISspectrum,itisindicatedthata2CHfilmsgrownbymeansofthehollowcathodedischargeplasmaCVDareendowe