摘要
微波等离子体化学气相沉积工艺（MPCVD）是最为常用的用于制备晶体材料的新兴技术，在制备高质量碳纳米管及刀具镀膜等方面都有着广阔的应用前景。目前，提高MPCVD过程的合成品质和生长速率依然是该领域的主要研究方向，而施加衬底偏压是目前最有发展前景的提高沉积过程的形核密度和沉积品质的技术。但是，偏压增强MPCVD过程的具体机理尚不明晰，偏压与MPCVD过程中其他工艺参数的耦合作用关系也并不明确。所以本文针对偏压的极性和强度变化以及偏压条件下微波功率和沉积压力对于MPCVD沉积腔内的等离子体性质的影响进行了研究，为优化偏压增强MPCVD过程的工艺参数设置提供新的思路和指导意见。 本文建立了以纯H2放电机理为基础的二维轴对称模型，包括MPCVD反应器的电磁场、等离子体及温度场模型，并通过关键参数实现了不同物理场模型之间的耦合过程。在此模型的基础上探究了偏压的强度和极性变化对于沉积腔内等离子体特性的影响规律。通过研究发现，偏压对于沉积腔内的等离子体特性产生了显著的影响。负偏压增加了衬底表面的离子流密度和电子温度，相较于衬底零偏压的情况，偏压为-300V时衬底表面的电子温度增大了10.95倍，而衬底表面的离子流密度增大了8.2倍，从而增大了离子碰撞衬底表面的能量，有利于沉积过程的进行；而正偏压则增加了衬底表面的电子密度和电子温度，电子与其他粒子之间的碰撞效应增强，有利于活性基团的产生，但是正偏压情况下，大部分微波能量被耗散在接地表面附近的离子鞘层区域，不利于沉积过程的进行。 在上述研究的基础上，进一步探究了偏压条件下微波功率和沉积压力变化对于沉积腔内的等离子体性质的影响规律。计算结果表明，微波功率增大相当于向沉积腔内传递了更多的能量，有利于气体电离过程的进行，同时提高了沉积腔内各种粒子的密度和能量，对于鞘层区域的离子密度及能量的影响效果与负偏压一致，相互耦合呈现出增强效果；而沉积压力增加对于沉积腔内的等离子体性质的影响规律较为复杂，会同时影响电子密度和电子碰撞效应，而这两者的负相关关系使得沉积压力存在最适区间，根据模拟结果大致可以确定最适压力为30Torr，对于鞘层区域的离子密度和能量，沉积压力与负偏压衬底的作用机制几乎是相反的，所以二者耦合呈现出的作用效果是相互抵消的。
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