论文摘要
二氧化硅薄膜具有高硬度、耐磨、高光透过率、强的抗侵蚀能力以及良好的介电性能,因此在诸多领域得到了很好的应用。针对不同用途的氧化硅薄膜,各种新的沉积技术不断涌现。而大气压非平衡等离子体沉积技术,作为一种具有代表性的新型薄膜沉积技术,由于具有常压等温、薄膜沉积速率快等特点,因而受到了广泛关注。本文概括性地介绍了二氧化硅薄膜的制备方法和大气压非平衡等离子体沉积技术的研究现状；基于滑动弧放电方式,设计了喷枪式大气压等离子体沉积系统；采用FLUENT流体计算软件对喷口外场空间进行了数值模拟；利用自行搭建的沉积系统成功地制备了类二氧化硅薄膜,并就沉积时间、基底温度、电源功率、单体流量、N2/02/H2流量对薄膜沉积速率的影响进行了研究,探讨了沉积时间和基底温度对薄膜表面形貌、化学结构和硬度的影响。FLUENT软件模拟了自由膨胀射流和冲击射流外场的温度、速度和组分等的分布。研究表明：射流自由膨胀时,沿着轴向,等温线、等体积分数线和等速度线的形状都是从锥形逐渐变成椭圆形；射流喷出后,沿径向存在一个膨胀过程,在小范围内,越远离喷口,膨胀速度和范围越大。射流冲击基底时,在靠近基底表面的区域,由于基底对气流的阻挡作用和基底材料高的热导性,会形成一个厚度为0.25mm的温度交界面,温度从500K急剧降到350K；在基底表面,由喷射中心到径向外围15mm处,ejected-N2体积分数会由1.0逐渐下降到0.4,而温度和气体密度没有明显改变。实验以四乙氧基硅烷为先驱体制备薄膜,并利用傅立叶变换红外光谱仪、光电子能谱、扫描电镜、光学椭偏仪以及纳米压痕仪对薄膜进行表征。FIRT和XPS的结果表明,实验沉积得到的是一种类二氧化硅薄膜。薄膜中的化学键以Si-O-Si键为主,并嵌有少量Si-OH键,其O/Si比为1.84,接近二氧化硅的数值,在薄膜表面存在一些半球形的突起,直径在几十到几百纳米之间。工艺参数对沉积速率的影响：研究表明基底温度、单体流量以及02/H2流量对沉积速率影响比较大。降低基底温度,提高单体流量,通入适量的02和H2,沉积速率都会显著增加。此外,N2流量增加会使沉积速率略微下降。沉积时间和电源功率（170-310W）对沉积速率没有明显影响。沉积时间对薄膜表面形貌、化学结构和硬度的影响：研究表明沉积时间越长,薄膜表面突起越大,Si-OH键含量越大,硬度值越小。在沉积表面突起高低位置,活性中间体存在浓度差,随着沉积的进行,表面突起会不断粗化,粗糙度不断增大；受表面粗化的影响,后续沉积的薄膜中更容易形成孔穴,而较容易存在于孔穴界面的Si-OH键的含量也随之增加,薄膜的硬度也随之下降。基底温度对薄膜表面形貌、化学结构和硬度的影响：研究表明基底温度越高,薄膜表面突起越小,Si-OH键含量度越小,硬度值越大。基底温度升高,会促进Si-OH基团间缩聚反应的进行,会提高基底表面的活性先驱体的扩散能力,使得活性中间体更容易扩散到间隙位,会降低基底表面的活性中间体的吸附率,减缓表面突起粗化的速度,显著地提高薄膜的表面平整度,降低薄膜中Si-OH键含量和孔穴密度,提高薄膜的硬度。