微波等离子体
●微波等离子体反应器特点：
微波：为交流能量（信号），通过波导传输，每一种波导
具有一定的特征阻抗
（射频传输线理论）
等离子体的反应器：本质上是具有一定阻抗的负载。
微波等离子体工作要求：波导特征阻抗=等离子体负载
阻抗。
微波反射波能量将至最低。
●微波等离子体反应器发展：
小尺寸共振腔---->表面波长细等离子体--->大面
积（体积）表面波等离子体。
●微波等离子体反应器结构：
⊙单模谐振腔
谐振腔尺寸: λ
λ=
R,（谐振条件）
=d
阻抗匹配: 好，可以不设置附加匹配。
激励电场
单模（单一本征模）
方向：图中电场沿轴向。
状态：驻波
缺点：体积小（？）
电场不均匀-----〉等离子体空间均匀性差。应用：放电灯，光谱分析。
⊙多模腔
谐振腔尺寸: λ
λ>>
R;（非谐振）
>>d
阻抗匹配: 差，需要附加匹配。
优点：电场较均匀-----〉等离子体空间均匀性好。
⊙表面波等离子体（surface microwave plasma,SWP）源
尺寸: λ
=
R（谐振条件），轴向尺寸没有限制阻抗匹配: 需要设置附加匹配。
激励电场
单模或多模（单一本征模）
状态：行波
优点：大体积，细长
缺点：面积小
应用：气体反应（甲烷--->乙炔），有害气体处理
侧视图
多管SWP 源
大面积/体积SWP源
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910279579.2 (22)申请日 2019.03.31 (71)申请人 河北地质大学 地址 050031 河北省石家庄市裕华区槐安 路136号 (72)发明人 宋彦军 陶隆凤 王礼胜 (51)Int.Cl. C01B 32/26(2017.01) (54)发明名称微波等离子体化学气相沉积法生长多晶金刚石片的方法(57)摘要本发明公开了微波等离子体化学气相沉积法生长多晶金刚石片的方法，涉及人造金刚石领域，其具体步骤如下：(1)对微波等离子体化学气相沉积设备中的基板进行预处理；(2)在经过预处理的基板上按照常规多晶金刚石片生长的过程形核0.4-0.6h；根据最终生长厚度的要求控制生长时间，可多次关机、研磨、抛光后进行多次重复生长。本发明生长的多晶金刚石自支撑片厚度可达毫米级以上，面且能够有效抑制金刚石颗粒随着厚度增大而不断增大的现象，从而达到在满足厚度要求的同时细化金刚石颗粒，提升金刚石片致密度、机械强度及抛光后表面光洁度的目的，从而更充分的发挥CVD多晶金刚石材料的价 值。权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 109911894 A 2019.06.21 C N 109911894 A
权 利 要 求 书1/1页CN 109911894 A 1.微波等离子体化学气相沉积法生长多晶金刚石片的方法，其特征在于，其具体步骤如下： (1)对微波等离子体化学气相沉积设备中的基板进行预处理； (2)在经过预处理的基板上按照常规多晶金刚石片生长的过程形核0.4-0.6h； (3)在固定甲烷、氢气以及其它添加气体的条件下进行多晶金刚石片的长时间生长，生长温度控制在800-1050℃，生长时间控制在10-50小时； (4)生长10-50小时后，停止除氢气以外的其它气体供应，用氢气产生的等离子体对反应舱内的金刚石片样品进行刻蚀0.5-1h，之后缓慢降低微波等离子体化学气相沉积设备中的微波功率，并逐步停止氢气供应，使金刚石生长基板的温度降低至80-160℃，最后停止全部气体供应并关机，待反应仓冷却至室温后取出金刚石片样品； (5)将金刚石片样品放入加热的浓硫酸中浸泡、去除生长过程中产生的非金刚石态碳，之后进行清洗，去除浓硫酸，然后对生长面进行研磨、抛光、清洗； (6)将样品重新装入微波等离子体化学气相沉积设备中的反应仓内，重复上述金刚石片的生长步骤(1)-(4)，根据最终生长厚度的要求控制生长时间，可多次关机、研磨、抛光后进行多次重复生长。 2.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积法生长多晶金刚石片的方法，其特征在于，所述步骤(3)中其它添加气体为氩气。 3.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积法生长多晶金刚石片的方法，其特征在于，所述步骤(1)中预处理的方法为通过机械研磨，金刚石微粉抛光以及清洗等方法进行处理，在除去基板上油脂、铁锈或者其他杂质元素，使得基板与金刚石之间进行良好的直接接触的同时增加基板上金刚石的形核率，此步骤所用金刚石微粉粒径在W0.25-W0.5之间。 4.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积法生长多晶金刚石片的方法，其特征在于，所述步骤(5)中研磨工艺采用机械研磨或激光加工工艺。 5.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积法生长多晶金刚石片的方法，其特征在于，所述步骤(5)中抛光工艺采用金刚石微粉抛光，金刚石微粉粒径在W0.25-W0.5之间，从而有效提升再次生长过程中金刚石的二次形核效率，抑制金刚石晶粒尺寸。 6.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积法生长多晶金刚石片的方法，其特征在于，所述步骤(4)中降温、关机过程持续1-2小时，从而有效的避免金刚石片由于温度变化过快而产生炸裂现象。 7.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积法生长多晶金刚石片的方法，其特征在于，基板中的基底元素包括Zr、Mo、W和Ti中的一种或者多种，通过基底元素与碳结合形成碳化物，为金刚石的沉积过程提供了更多的结合点，有利于金刚石的形成。 8.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积法生长多晶金刚石片的方法，其特征在于，基底与金刚石的热膨胀系数相同或接近，减小形成的金刚石片与基底材料之间热膨胀性的差异，减小冷却时，进而减小金刚石片龟裂或者脱落的几率。 2
微波等离子体 ●微波等离子体反应器特点： 微波：为交流能量（信号），通过波导传输，每一种波导 具有一定的特征阻抗 （射频传输线理论） 等离子体的反应器：本质上是具有一定阻抗的负载。 微波等离子体工作要求：波导特征阻抗=等离子体负载 阻抗。 微波反射波能量将至最低。 ●微波等离子体反应器发展： 小尺寸共振腔---->表面波长细等离子体--->大面 积（体积）表面波等离子体。 ●微波等离子体反应器结构： ⊙单模谐振腔 谐振腔尺寸: λ λ= R,（谐振条件） =d 阻抗匹配: 好，可以不设置附加匹配。 激励电场 单模（单一本征模） 方向：图中电场沿轴向。 状态：驻波
缺点：体积小（？） 电场不均匀-----〉等离子体空间均匀性差。应用：放电灯，光谱分析。
⊙多模腔 谐振腔尺寸: λ λ>> R;（非谐振） >>d 阻抗匹配: 差，需要附加匹配。 优点：电场较均匀-----〉等离子体空间均匀性好。 ⊙表面波等离子体（surface microwave plasma,SWP）源 尺寸: λ = R（谐振条件），轴向尺寸没有限制阻抗匹配: 需要设置附加匹配。 激励电场 单模或多模（单一本征模） 状态：行波 优点：大体积，细长 缺点：面积小 应用：气体反应（甲烷--->乙炔），有害气体处理
侧视图
多管SWP源
●大面积/体积SWP源 两种方式：（a）顶面馈入;(b)侧面馈入 三种典型装置：（a）日本平面狭缝（顶面）耦合； (b) 德国环状狭缝（侧面）耦合； （c）法国改进型表面波导（侧面）耦合美国： 中国（中国科大、合肥等离子体物理所----> 德国版）●日本顶面狭缝（重点） （1）两种加热模式
化学气相沉积技术的应用与进展 一、化学气相沉积技术的发展现状 精细化工是当今化学工业中最具活力的新兴领域之一，是新材料的重要组成部分，现代科学和技术需要使用大量功能各异的无机新材料，这些功能材料必须是高纯的，或者是在高纯度材料中有意地掺人某种杂质形成的掺杂材料。但是，我们过去所熟悉的许多制备方法如高温熔炼、水溶液中沉淀和结晶等往往难以满足这些要求，也难以保证得到高纯度的产品。因此，无机新材料的合成就成为现代材料科学中的主要课题。 化学气相沉积技术(Chemical vapor deposition，简称CVD)是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相沉积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、沉积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的沉积过程精确控制。目前，用CVD技术所制备的材料不仅应用于宇航工业上的特殊复合材料、原子反应堆材料、刀具材料、耐热耐磨耐腐蚀及生物医用材料等领域，而且还被应用于制备与合成各种粉体料、新晶体材料、陶瓷纤维及金刚石薄膜等。 二、化学气相沉积技术的工作原理 化学气相沉积是指利用气体原料在气相中通过化学反应形成基本粒 子并经过成核、生长两个阶段合成薄膜、粒子、晶须或晶体等个主要
阶段：反应气体向材料表面5固体材料的工艺过程。它包括 扩散；反应气体吸附于材料的表面；在材料表面发生化学反应；生成物从材料的表面脱附；(5)产物脱离材料表面。 目前CVD技术的工业应用有两种不同的沉积反应类型即热分解反应和化学合成反应。它们的共同点是：基体温度应高于气体混合物；在工件达到处理温度之前气体混合物不能被加热到分解温度以防止在 气相中进行反应。 三、化学气相沉积技术的特点 化学气相沉积法之所以得以迅速发展，是和它本身的特点分不开的，与其他沉积方法相比，CVD技术除了具有设备简单、操作维护方便、灵活性强的优点外，还具有以下优势： (1)沉积物众多，它可以沉积金属、碳化物、氮化物、氧化物和硼化物等，这是其他方法无法做到的； (2)能均匀涂覆几何形状复杂的零件,这是因为化学气相沉积过程有高度的分散性； (3)涂层和基体结合牢固； (4)镀层的化学成分可以改变, 从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层； (5)可以控制镀层的密度和纯度； (6)设备简单，操作方便。 随着工业生产要求的不断提高，CVD的工艺及设备得到不断改进，但是在实际生产过程中CVD技术也还存在一些缺陷：
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
微波与低温等离子体相互作用的二维FDTD模拟 等离子体隐身是一种利用等离子体回避雷达探测的方法和技术,此方法就其原理而言优点突出,极具发展前景。几个主要的军事大国都积极开展该领域的研究和发展工作。目前,此方法和技术尚未发展成熟,诸多问题有待解决,还需要继续进行广泛、深入、细致的理论研究和实验研究。近年来,数值模拟计算研究成效显著,受到多方面的重视。本文针对两种进气管模型(直型腔体和S型腔体),分别设置结构对照组(直型腔体和S型腔体),和等离子体模型组(腔体内壁覆盖低温离子体层),采用时域有限差分(FDTD)方法,进行数值模拟计算,研究腔体结构和等离子体层对于雷达波(电磁波)的屏蔽作用。结果表明,(1)直型金属腔体对电磁波具有强反射特性,S型金属腔体对电磁波的反射相对较弱,反映了 结构隐身的作用；(2)腔体内壁覆盖等离子体层后电磁波的回波能量均明显减少,且金属直型腔体加入等离子体对电磁波的吸收更加强,反映了等离子体隐身的作用；(3)结构隐身与等离子体隐身相结合,有助于进一步改善和优化对于电磁波的隐身作用；(4)等离子体碰撞频率、等离子体电子数密度和入射电磁波频率等因素对于其隐身效果都有程度不同的影响。本文的研究方法和结果,可以为低温等离子体隐身方法和技术研究提供有价值的参考。 同主题文章 [1]. 朱晋生,陆继珍. 异向介质板应用于吸波隐身的FDTD方法分析' [J]. 电讯技术. 2008.(08) [2]. 谭维翰,顾敏. 等离子体钢丝二次谐波辐射的线性转换理论' [J]. 光学学报. 1988.(09) [3]. C.Ngo ,景成祥. 从核的多重碎裂到夸克—胶子等离子体' [J]. 原子核物理评论. 1989.(02) [4]. 顾琅. 等离子体加工过程中尘埃微粒行为的研究' [J]. 力学进展. 1997.(01) [5]. 董全力,王军,张少龙,满宝元,王象泰,于衍宏. 激光等离子体产生条件的实验研究' [J]. 光电子.激光. 1999.(05) [6]. 邱华盛. 中日签署沙尘合作研究协议及等离子体和核聚变合作研究协议' [J]. 中国科学院院刊. 2000.(06) [7].
等离子体合成金刚石 在20世纪80年代初,一种新的方法出现了,那就是微波等离子体化学气相法合成金刚石薄膜（CVD）制备金刚石薄膜，它成本低，质量高，有利于大规模合成利用,且装置简单,能量集中,反应条件易于控制,产物比较纯净,成为当前研究的主要方向和热点。现在该领域的最新进展是用微波化学气相合成法合成纳米级的金刚石薄膜,纳米级金刚石薄膜除了有普通微米级金刚石薄膜的性质外,还具有高光洁度,高韧性,低场放射电压,是具有广阔应用前景的新材料。摩擦系数低,光洁度高,颗粒极细,硬度高,耐磨度高,可广泛应用医疗,交通,航空航天,工业制造领域的涂料,涂层,钻头,更可为微型机电领域带来革命性的飞跃.许多科学家纷纷预言：21世纪将是金刚石的时代。 合成与机理：等离子态是物质的第四态,之所以把等离子体视为物质的又一种基本存在形态，是因为它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质上均有本质区别。即使与气体之间也有着明显的差异。首先，气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体而又在整体上保持电中性。其二，组成粒子间的作用力不同，气体分子间不存在净电磁力，而等离子体中的带电粒子间存在库仑力，并由此导致带电粒子群的种种特有的集体运动。第三，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显地会受到电磁场的影响和约束。需说明的是，并非任何电离气体都是等离子体。只有当电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动时，体系的性质才会从量变到质变，这样的“电离气体”才算转变成等离子体。否则，体
系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各部分的简单加合，而不具备作为物质第四态的典型性质和特征，仍属于气态。按热力学分析只要压力适当，石墨转变成金刚石在低温下并非不能自发进行，问题在于反应速率太低，以致必须提供苛刻的高温高压条件。但若借助非平衡等离子体，情况就不同了。如用微波放电把适当比例的CH4和H2气激发成等离子体，便可在低于1.0133×104Pa，800—900℃条件下以相当快的生长速率（1μm/h）人工合成金刚石薄膜。 依照此原理设计的CVD合成金刚石薄膜的装置都有一共同特性，即使低分子碳烃气体稀释在过量氢气中，在一定电磁能激发产生等离子体，在等离子体中形成局部的高温高压条件,通过适宜的沉积工艺在基片(硅片)上沉积出金刚石薄膜。常用的方法有热丝法、微波法、等离子体炬和燃烧火焰法等。热丝法是利用高温金属丝激发等离子体，装置简单，使用比较方便。但由于金属丝的高温蒸发会将杂质引入金刚石膜中，因此该方法不能制备高纯度的金刚石膜；微波法是利用微波的能量激发等离子体，具有能量利用效率高的优点。同时由于无电极放电，等离子体纯净，是目前高质量、高速率、大面积制备金刚石膜的首选方法；等离子体炬是利用电弧放电产生等离子体，制备的金刚石膜质量高。但由于电弧面积的限制，金刚石膜的面积较小；同时由于电弧点燃及熄灭的热冲击，对金刚石膜的附着力影响很大，设备的磨损大，反应气体的消耗也高；燃烧火焰法是利用乙炔在氧气中燃烧产生的高温激发等离子体，可以在常压下工作，也存在着金刚石膜沉积面积小，不均匀等问题。
论述物理气相沉积和化学气相沉积的优缺点 物理气相沉积技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。 真空蒸镀基本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基体表面上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料，使蒸发成气相，然后沉积在基体表面，历史上，真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。 溅射镀膜基本原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+)，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。如果采用直流辉光放电，称直流(Qc)溅射，射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电，阴极表面快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至“异华”镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。 离子镀基本原理是在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子部分电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下，离子沉积于基体表面形成薄膜。 物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤： (1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。 (2)镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应。 (3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。 物理气相沉积技术工艺过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。 随着高科技及新兴工业发展，物理气相沉积技术出现了不少新的先进的亮点，如多弧离子镀与磁控溅射兼容技术，大型矩形长弧靶和溅射靶，非平衡磁控溅射靶，孪生靶技术，带状泡沫多弧沉积卷绕镀层技术，条状纤维织物卷绕镀层技术等，使用的镀层成套设备，向计算机全自动，大型化工业规模方向发展。 化学气相沉积是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。现代科学和技术需要使用大量功能各异的无机新材料，这些功能材料必须是高纯的，或者是在高纯材料中有意地掺人某种杂质形成的掺杂材料。但是，我们过去所熟悉的许多制备方法如高温熔炼、水溶液中沉淀和结晶等往往难以满足这些要求，也难以保证得到高纯度的产品。因此，无机新材料的合成就成为现代材料科学中的主要课题。 化学气相沉积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。目前，化学气相
微波等离子体设备 技术方案 1．设备简述： 微波等离子体设备由椭球谐振腔、真空室、沉积台、真空系统、气体流量控制系统、真空测量系统、水冷循环水压报警系统以及机架等组成。 示意图 2．设备结构 2.1椭球谐振腔 2.1.1材料：椭球谐振腔采用优质不锈钢1Cr18Ni9Ti； 2.1.2尺寸：径向450mm×轴向600mm，壁厚5mm，椭球边界满足方程式：(X2 /4502)+ (Y2 /6002)=1；2.1.3连接法兰：椭球谐振腔上下连接法兰可以独立拆卸，对微波密封； 2.1.4 观察窗：在椭球谐振腔的适当位置设置多个观察孔，使视线能看到石英钟罩内的等离子体和衬底， 衬底和等离子体的位置，观察孔的尺寸以不泄漏微波为准（直径为≤2 mm的孔）； 2.2 真空室、沉积台 2.2.1 真空室：真空室采用石英钟罩Ф230mm； 2.2.2 沉积台：真空室内沉积台采用优质不锈钢，能够下降开启，方便移出真空室内样品；对沉积台设置
水冷，水冷的主要部位为中心位置为50mm的圆及胶圈的密封部位，冷却能力今后要达到5kW；沉积台中心设置光纤测温孔 2.2.3 其它 2.2. 3.1 沉积台设有轴向位置标尺； 2.2. 3.2 Ф6mm手动放气阀； 2.2. 3.3 进气口； 2.3 真空系统 2.3.1 真空机组: 机械泵,抽速2L/S； 2.3.2 真空阀门：手动挡板阀、针阀各1只； 2.3.3 真空测量：采用电阻真空计测量； 2.4 进气系统 采用三路质量流量计控制，每路均设有手动截止阀 ●Ar: 200 ml /min ●H2: 200 ml /min ●CH4: 30 ml/min 2.5微波电源系统 采用800W微波电源，矩形波导传输微波，同轴天线进行模式转换和将微波导入椭球谐振腔； 2.6 电气控制系统 2.6.1整套控制系统采用手动按钮控制，独立的电气控制柜； 2.6.2．控制内容： 2.6.2.1．机械泵的起、停； 2.6.2.2．在缺水情况下的报警系统； 2.6.2.3．气体流量显示； 2.6.2.4. 真空显示； 3．系统配置
微波等离子体化学气相沉积系统研究 摘要：本文通过微波等离子产生原因，以及分析了我国气相沉积技术的内容与优点，并且，通过实验详细的阐述了微波等离子体化学气相沉积系统，为我国的化学气相沉积技术得以更好的发展，并能很好的解决微波等离子体遇到的问题，提供资料借鉴。 关键词：微波等离子体；化学气相沉积；系统；研究 一、微波等离子产生原因 人们日常生活见到的物质基本上以气态、固态或液态中的任一种形态存在。在一定的温度下，某物质的分子间作用力和无规则的热运动这两种因素的相互作用决定了这一物质的存在状态。当温度升高时，分子的无规则运动加剧，将使得分子间的作用力不足以将分子束缚在固定的平衡位置附近做微小的振动，当温度继续升高时，构成分子的原子也能够获得足够的动能，开始彼此分离，这一过程叫做离解，如果温度进一步提高，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，而由于电子和离子的热运动，也会使气体发生电离，这样物质就变成了由自由电子和正离子组成的物质的第四种形态，即等离子体。 二、我国气相沉积技术的内容与优点 气相沉积是近二三十年来迅速发展的新技术。它是物质从气态向固态转化的结果。其过程包括物质气化、气相输运和离子沉积成膜或涂层三个基本过程，化学气相沉积简称CVD，CVD是在相当高的温度下，利用混合气体与基体材料的相互作用，从而在其表面形成一层固态薄膜或涂层的技术。这类技术包括常规化学气相沉积，金属有机化合物化学气相沉积，等离子体强化化学气相沉积或等离子体辅助化学气相沉积，激光化学气相沉积等方法。目前气相沉积技术已经受到国内外的普遍重视，发展迅速。该技术具有沉积速率快、涂层均匀致密、附着性好、涂层材料广、对环境无污染等特点，运用这种技术可以改善金属材料及其零部件表而的抗蚀性、耐磨性和抗氧化性等性能。 三、实验及分析 （一）概述 3KW微波等离子体化学气相沉积系统上开展了实验，对金刚石薄膜的沉积工艺进行了研究，基片台采用石英玻璃基片台，基片为取向的单晶硅片。大小为1OX10mm，厚度为1mm，分别从基片的预处理、气源成分、以及沉积温度三个方面对沉积金刚石膜的质量进行了研究。采用SEM、XRD和Raman谱仪对金刚石膜进行了表征。得到了金刚石膜沉积的优化条件。 （二）基片预处理的影响
高功率微波与等离子体相互作用理论和数值研究? 袁忠才时家明? (脉冲功率激光技术国家重点实验室,电子工程学院,合肥230037) (2013年10月23日收到;2013年11月27日收到修改稿) 研究高功率微波与等离子体的相互作用,对于微波放电和电磁兼容研究均具有重要意义.基于波动方程、等离子体的流体力学方程以及波尔兹曼方程,建立高功率微波脉冲与等离子体相互作用的理论模型,并结合等离子体的特征参数,采用时域有限差分方法分析了等离子体电子密度和高功率微波传输特性的变化.结果表明,由于高功率微波的电子加热作用,等离子体中的非线性效应明显,发生击穿使得等离子体电子密度增大,从而导致微波的反射增强,透过率降低.所提出的模型和相关结果对于高功率微波和电磁脉冲防护具有指导意义. 关键词:等离子体,高功率,电磁防护,时域有限差分 PACS:52.25.Os,52.40.Db DOI:10.7498/aps.63.095202 1引言 作为一种新概念武器,高功率微波和电磁脉冲已经严重威胁到电子设备的安全[1,2].为此,近年来有人提出利用等离子体的吸波特性,用其来进行电子设备的电磁脉冲防护[3?6].Macheret等对于在高重复频率纳秒高功率微波脉冲作用下空气的放电特性进行了实验研究,证实了受入射场的影响等离子体电子温度明显升高,从而非线性效应变得显著[7].Bonaventura等对于高功率微波脉冲导致的N2等离子体参数变化进行了系统研究.首先通过求解波尔兹曼方程得到了N2等离子体电离率、复合率、迁移率等随入射场强的变化[8];然后通过数值模拟的方法得到了等离子体电子密度随入射场强的变化,并分析了由此导致的微波脉冲传输特性的变化[9];最后通过实验研究了微波放电中密度的时间变化特征[10].Liu等理论分析了利用高功率微波击穿空气的阈值,同时进行了初步的实验研究[11].但是,他们在进行微波脉冲与等离子体相互作用的数值仿真时,将等离子体视为一种具有电损耗的介质,并利用各区域场的展开和边界条件来求解波动方程,而等离子体作为一种色散媒质,上述处理会导致一定的误差.Anderson等利用微波放电时带电粒子加热与吸收微波功率之间的热平衡关系来求解微波击穿阈值等特征参数,但是他们在计算过程中设定带电粒子的扩散系数等参数与场强大小无关,同时认为电离频率的变化与入射场强的平方成正比[12?14].而在Tang等和周前红等的研究中,设定电离频率的变化直接与入射场强或相对场强的5.33次方成正比[15,16].通过与其他文献的比较(如文献[17,8—10])可以看出,这些假设只能在很小的范围内适用,通常等离子体电离率、复合率、迁移率等随入射场强的变化较为复杂,应通过碰撞截面或求解波尔兹曼方程来获得. 为此,我们建立了描述电磁波传播的波动方程,表征等离子体的流体力学方程以及考察入射场对带电粒子温度、反应速率、迁移率以及碰撞频率等影响的波尔兹曼方程,利用考察色散媒质的时域有限差分方法交互地求解上述三个耦合方程,从而获得高功率微波入射条件下等离子体电子密度、碰撞频率以及微波传输特性的变化. ?国防预研基金资助的课题. ?通讯作者.E-mail:sjmeei@https://www.doczj.com/doc/706455834.html, ?2014中国物理学会Chinese Physical Society https://www.doczj.com/doc/706455834.html,
微波等离子体技术在新材料中的应用 摘要：微波等离子休的研究已有三十多年的历史，近十年来的研究已使微波子离子体技术扎根于高技术新材料领域中。进人九十年代以来，国内微波等离子体合成新材料研究发展较快，如在合成功能材料原料、合成特殊导体材料、沉积磁性材料、制备纳米粒子等实验研究均见成效，研究结果揭示了微波能在合成新材料方面具有巨大的潜力与工业应用价值。本文主要讨论了陶瓷微波等离子烧结技术、MPCVD制备金刚石薄膜和光导纤维、微波ECR制备纳米固休薄膜和微波刻蚀技术等。 关键词：微波等离子体 近十几年来,国内外有关微波等离子体在材料制备中的应用发展十分迅速，如制备纳米材料、烧结材料、气相沉积等方面均已见成效,诸多研究结果表明,微波等离子体在材料制备方面的应用具有巨大潜力和工业价值。其依据在于微波等离子体独有的特点：1)活性强：微波等离子体对气体的电离和离解程度比其他类型的等离子体(如电弧等离子体)可高10倍以上,因此微波等离子体更能增加气体分子的反应性强;2)反应区内没有电极,消除了放电电极自身造成的污染,因而适合于高纯度物质的制备和处理,而且工艺效率高;3)反应区内的压力能在很宽范围内进行调整,工艺调控性好；4)微波等离子体中自由电子的温度高于离子的温度,其中的化学反应可有更高的反应平衡常数,效率高。正因如此,微波等离子体在材料合成、烧结、沉积以及表面刻蚀、表面处理等方面的应用日益引起人们的重视。与其它方法相比,经微波等离子法得到的材料往往有更高的品质,同时工艺过程有更好的可控性、重复性以及更高的效率,尤其是在难合成材料的制备上这些优点更加突出。基于上述分析,本文将从以下几个方面论述微波等离子体在新材料中的应用。 一、微波等离子体合成纳米粉体材料 1.1、高纯度纳米碳管的低温合成[2] 1.1.1实验仪器与原料 合成纳米碳管所用仪器是微波等离子体化学气相沉积装置，制备催化剂用原料为Co(NO3)2·6H2O,Ca(NO3)2·4H2O,HNO3,NaHCO3和Na2CO3,均为化学纯试剂.合成纳米碳管用碳源为分析纯甲醇,载气为氢气,纯度大于99.9%。
第 23卷第 10期强激光与粒子束 V o l . 23, N o . 10 2 011年 10月 H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S O c t . , 2011 文章编号 : 1001-4322(2011 10-2715- 04新型大气压微波等离子体炬的仿真研究 陈颖 1, 李承跃 1, 季天仁 2 (1. 电子科技大学物理电子学院 , 成都 610054, 2. 成都纽曼和瑞微波技术有限公司 , 成都 6 10052 摘要 :设计了一种新型的大气压微波等离子体炬结构。入射主频为 2 450MH z , 基于 H F S S 软件对其进行了仿真研究。在仿真过程中 , 对该结构的各个参数进行了优化 , 并得出对场强分布的影响规律。结果表明 , 探针的使用对腔内场分布有很大影响。根据优化参数对微波等离子体炬进行了仿真模拟 , 在等离子体发生 腔产生了高幅值的电场强度 , 品质因数达到 2×10 4 , 可以在大气压下激发等离子体。关键词 :微波等离子体炬 ; 大气压 ; H F S S 软件 ; 探针 ; 电场强度 中图分类号 : O 531文献标志码 : A d
o i :10. 3788/H P L P B 20112310. 2715自微波技术更广阔的应用空间被打开以来 , 微波等离子体因其具有较高电离和分解程度 , 电子温度和离子温度对中性气体温度之比高、 压强范围宽、高温下容易维持、无电极污染、微波源工作稳定、寿命长、微波泄露少、安全防护工作比较成熟、安全因素高、工作宁静等优点 , 利用微波产生等离子体射流或炬的研究已日趋普 遍 [1- 3]。大气压下微波等离子体的产生及稳定运行 , 日益成为该领域的热点。研发具有某些特殊性能的微波等离子体设备具有良好的发展前景和商业价值 [4- 5]。微波等离子体炬是一种很重要的等离子体发生形式 , 它是一种开放的等离子体光源 , 于 1985年由金钦汉等首先提出 [6] , 此后对微波等离子体炬的应用进行了一些初步探讨。 1990年 , 金钦汉和 G. M. H i e f t j e 共同对微波等离子体炬管进行了改造 , 使其更易于调谐 [7] 。本文设计了一种新型的微波等离子体炬结构 , 可以在大气压下产生等离子体炬。 1微波等离子体炬结构 本文设计的微波等离子体炬结构主要由 B J - 32矩形波导、耦合波导和环形腔构成。环形腔中心有一金属座 , 一根石英管贯穿环形腔中心 , 作为等离子体发生腔。整体装置结构如图 1、图 2所示。
化学气相沉积技术的应用与研究进展 摘要：本文主要围绕化学气相沉积（cvd ）技术进行展开，结合其基本原理与特点，对一些CVD 技术进行介绍。同时也对其应用方向进行一定介绍。 关键词：cvd ；材料制备；应用 引言 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)技术是近几十年发展起来的主要应用于无机新材料制备的一种技术。[1] CVD 是一种以气体为反应物(前驱体),通过气相化学反应在固态物质(衬底)表面生成固态物质沉积的技术。它可以利用气相间的反应, 在不改变基体材料的成分和不削弱基体材料的强度条件下,赋予材料表面一些特殊的性能。 本文论述了化学气相沉积技术的基本原理、特点和最新发展起来的具有广泛应用前景的几种新技术, 同时分析了化学气相沉积技术的发展趋势, 并展望其应用前景。 1 CVD 原理 化学气相沉积( CVD, Chemical Vapor Deposition) 是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室, 在衬底表面发生化学反应, 并把固体产物沉积到表面生成薄 膜的过程。 图1 CVD 法示意图 CVD 的化学反应主要可分两种:一是通 过一种或几种气体之间的反应来产生沉积，如超纯多晶硅的制备、纳米材料（二氧化钛）的制备等；另一种是通过气相中的一个组分与固态基体（有称衬底）表面之间的反应来沉积形成一层薄膜，如集成电路、碳化硅器皿和金刚石膜部件的制备等。 它包括 4 个主要阶段: ① 反应气体向材料表面扩散; ② 反应气体吸附于材料的表面; ③ 在材料表面发生化学反应; ④ 气态副产物脱离材料表面。 在 CVD 中运用适宜的反应方式, 选择相应的温度、气体组成、浓度、压力等参数就能得到具有特定性质的薄膜。但是薄膜的组成、结构与性能还会受到 CVD 内的输送性质( 包括热、质量及动量输送) 、气流 的性质( 包括运动速度、压力分布、气体加热等) 、基板种类、表面状态、温度分布状态等因素的影响。[2][3][4] 2 CVD 技术特点 ① 在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。 ② 可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好)。 ③采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。
化学气相沉积技术实验 一、实验目的 1.了解化学气相沉积制备二硫化钼的基本原理； 2.了解化学气相沉积方法制备二硫化钼薄膜材料的基本流程及注意事项； 3.利用化学气相沉积方法制备二硫化钼薄膜材料。 二、实验仪器 该实验中用到的主要实验仪器设备以及材料有：干燥箱、CVD生长系统、电子天平、超声清洗机，去离子水机等，现将主要设备介绍如下： 1.CVD生长系统 本实验所用CVD生长系统由生长设备，真空设备，气体流量控制系统和冷却设备四部分组成，简图如下 图1 CVD设备简图 2.电子天平 本实验所用电子天平采用电磁力平衡被称物体重力原理进行称量，特点是称量准确可靠、显示快速清晰并且具有自动检测系统、简便的自动校准装置以及超载保护等装置。在本实验中电子天平主要用于精确称量药品，称量精度可精确到小数点后第五位。 三、实验原理 近年来，各国科学工作者对化学气相沉积进行了大量的研究，并取得一定的显著成果。例如，从气态金属卤化物（主要是氯化物）还原化合沉积制取难熔化合物粉末及各种涂层（包括碳化物、硼化物、硅化物、氮化物）的方法。其中化学沉积碳化钛技术已十分成熟。化学气相沉积还广泛应用于薄膜制备，主要为Bchir等使用钨的配合物Cl4 (RCN)W(NC3H5)作为制备氮化钨或者碳氮共渗薄
膜的原料—CVD前驱体；Chen使用聚合物化学气相沉积形成的涂层提供了一个有吸引力的替代目前湿法化学为主的表面改善方法。同时，采用CVD方法制备CNTS的研究也取得很大的进展和突破，以及通过各种实验研究了不同催化剂对单壁纳米碳管的产量和质量的影响，并取得了一定的成果。 一、化学气相沉积法概述 1、化学沉积法的概念 化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。与之相对的是物理气相沉积（PVD）。 化学气相沉积是一种制备材料的气相生长方法，它是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术。 2、化学气相沉积法特点 (1) 在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。 (2) 可以在常压或者真空条件下负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好 (3) 采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行 (4) 涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。 (5) 可以控制涂层的密度和涂层纯度。 (6) 绕镀件好。可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂形状的工件。由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。 (7) 沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。 (8) 可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。
化学气相沉积法的发展应用 摘要 介绍了化学气相沉积（CVD）技术以及基本应用，还有化学气相沉积（CVD）技术的具体分类，包括热化学气相沉积法、低压气相沉积、等离子增强化学气相沉积、激光辅助化学气相沉积、金属有机化合物化学气相沉积；同时详细介绍了化学气相沉积（CVD）中的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的原理、反应过程、特性、方法分类以及应用等方面。其中实际举例说明了等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在研究太阳能窗口层材料中的应用，以及金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在纳米图形衬底上沉积高质量氮化镓中的应用。并展望了等离子体增强化学气相沉积法和金属有机化学气相沉积法的发展趋势和应用前景。 关键字：化学气相沉积法；分类；等离子体增强化学气相沉积 1 引言 1.1化学气相沉积简介 化学气相沉积是一种材料表面强化技术，是在相当高的温度下，混合气体与工件表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在工件表面形成一种金属或化合物固态薄膜或镀层[1]。它可以利用气相间的反应，在不改变工件基体材料的成分和不削弱基体材料强度的条件下，赋予工件表面一些特殊的性能。CVD 的反应温度取决于沉淀物的特性,通常大约为900—2000℃。中温CVD的典型反应温度大约500—800℃，它通常是通过金属有机物在较低温度的分解来实现的，所以又称为金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD )。目前，化学气相沉积技术不仅应用于刀具材料、耐磨耐热耐腐蚀材料、宇航工业的特殊复合材料、原子反应堆材料及生物医用材料等领域，而且被广泛应用于制备与合成各种粉体材料、块体材料、新晶体材料、陶瓷纤维及金刚石薄膜等。在作为大规模集成电路技术的铁电材料、绝缘材料、磁性材料、光电子材料的薄膜制备技术方面，更是不可或缺。 1.2原理 化学气相沉积（CVD，Chemical Vapor Deposition）是把含有构成薄膜元素
化学气相沉积技术的应用与研究进展 摘要：本文主要围绕化学气相沉积（cvd）技术进行展开，结合其基本原理与特点，对一些CVD技术进行介绍。同时也对其应用方向进行一定介绍。 关键词：cvd ;材料制备；应用 引言 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,简称CVD技术是近几十年发展起来的主要应用于无机新材料制备的一种技术。[1]CVD是一种以气体为反应物（前驱体），通过气相化学反应在固态物质（衬底）表面生成固态物质沉积的技术。它可以利用 气相间的反应，在不改变基体材料的成分和不削弱基体材料的强度条件下，赋予材料表面一些特殊的性能。 本文论述了化学气相沉积技术的基本原理、特点和最新发展起来的具有广泛应用前景的几种新技术，同时分析了化学气相沉积技术的发展趋势，并展望其应用前景。 1 CVD原理 化学气相沉积（CVD, Chemical Vapor Depositi on）是把含有构成薄膜元素的气 态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应，并把固体产物沉积到表面生成薄膜的过程。 图1 CVD法示意图 CVD的化学反应主要可分两种：一是通 过一种或几种气体之间的反应来产生沉积，如超纯多晶硅的制备、纳米材料（二氧化钛）的制备等；另一种是通过气相中的一个组分与固态基体（有称衬底）表面之间的反应来沉积形成一层薄膜，如集成电路、碳化硅器皿和金刚石膜部件的制备等。 它包括4个主要阶段： ①反应气体向材料表面扩散； ②反应气体吸附于材料的表面； ③在材料表面发生化学反应； ④气态副产物脱离材料表面。 在CVD中运用适宜的反应方式，选择相应的温度、气体组成、浓度、压力等参数就能得到具有特定性质的薄膜。但是薄膜的 组成、结构与性能还会受到CVD内的输送性质（包括热、质量及动量输送）、气流的性质（包括运动速度、压力分布、气体加热等）、基板种类、表面状态、温度分布状态等因素的影响。创聃 2 CVD技术特点 ①在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。 ②可以在常压或者真空条件下（负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好）。 ③采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。