超低压等离子喷涂快速沉积纳米氧化硅薄膜研究

The very low pressure plasma spray method is a new deposition technology developed in recent years which could deposit coatings rapidly. How to improve the feeding material evaporation efficiency and to know the law of coating deposition and generating mechanism are the important problems in the current scientific research. It is proposed to use hexamethyldisiloxane (HMDSO) monomer and a certain amount of oxygen, so that the injected HMDSO could be decomposed in the plasma flame and SiO2 nano-size film will be then deposited on the substrate,in this work the law and performance of the film will be studied. The details of this research conclude several parts: establishing monomer feeding mechanism, using fluid dynamics software to explore plasma flame characteristics, law of precursor transfer and movement, pyrolysis processes simulation, etc. The optical emission spectrum diagnostic method will be used, according to the obtained data, to amend the mathematical model; to adjust the operation parameters; to establish the relationships between the parameters of the discharge, the plasma activity and the film structure and properties; and to choose the most optimal conditions so that the model and the formation mechanism could be confirmed by the deposition of thin films, the analysis of the evolution of the film growth and organization structure, then the performance test could be done. Finally the precursor decomposition by plasma heating and film formation mechanism under non-equilibrium conditions will be understood which can lay the theoretical and technical foundation for this new technology which unlike conventional plasma enhanced chemical vapor deposition method, and provide a new optional way for the surface modification of materials.

超低压等离子喷涂沉积方法是近些年来发展起来的一项快速制备涂层组织的崭新技术。如何提高送入物质的蒸发效率、了解涂层沉积规律与产生机理是当前科学研究的重要问题。本项目提出采用送入六甲基二硅氧烷（HMDSO）单体和一定比例氧气的方式，使其在等离子焰流中分解，在基体上沉积SiO2成分的纳米薄膜，对其形成方式及性能进行科学研究。具体内容包括：建立单体送入机构，结合流体动力学软件，对等离子焰流和送入先驱体物质运移规律、受热分解过程进行模拟计算；采用发光光谱诊断的方法，根据所获得数据，修正数学模型，调整制备参数，建立放电参数、等离子体活性和薄膜结构性能之间的关系；选择最优化条件，通过沉积薄膜验证所建立的模型和形成机制，分析生长与组织结构演变，进行性能测定；最终确定非平衡条件下的先驱物质加热分解及薄膜形成机理，为不同于传统等离子增强化学气相沉积方法的新工艺奠定理论和技术基础，为材料表面改性提供新的途径。

本项目以六甲基二硅氧烷（HMDSO）单体为研究对象，采用超低压等离子喷涂方法，在100Pa真空环境下对单体加热蒸发，并适当加入CH4，使其反应产物快速沉积到Si片上从而制备出SiO2薄膜。主要包括以下几方面内容：1）送入单体在等离子焰流中的加热分解过程研究。包含等离子焰流在低压下的流态分析与计算；蒸发过程中蒸发物连续发射光谱诊断。2）薄膜制备与形成过程研究，包括HMDSO单体送入装置建立，基片沉积薄膜规律研究。3）薄膜组织观察，即薄膜成分分析以及生长过程中的结构演变。研究过程中设计并制造了三阴极等离子枪体，可以使先驱体加热处于等离子体连续介质区，即控制一次电离离子自由程长度与送入物尺度比，提高了蒸发效率。在局部热力学平衡和化学平衡状态下，对热等离子体流进行了模拟，在等离子枪阴极尖端处的温度大约为3333K，阳极区域中的温度大约为717K。在入口和出口之间的水温差约10K。计算出等离子焰流的最大速度为约800m/s。获得到了局部热力学平衡状态下的等离子体的电子温度，在不同位置处的电子温度分布为0.25-0.85eV（相应温度为4551K-12246K），且电子密度基本呈线性变化。在沉积速率为22nm/s下制备出2.6μm厚的柱状生长薄膜，经1000h盐雾腐蚀后未发现基体锈蚀现象。为了提高Si的稳定性加入CH4后，由于CH4二次激发产生了部分的C2，C含量上升影响SiO形成。此时形成Si为核心，SiOx为外壳的包覆型结构。