AP-PECVD实验制备硅氧烷绝缘薄膜抑制微放电的研究

摘要

为了研究抑制微放电的方法，本文采用大气压等离子体增强化学气相沉积法（Atmospheric Pressure Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，AP-PECVD）在铜导体表面制备了硅氧烷绝缘薄膜并对其抑制微放电的作用进行了考察。首先，就在铜导体表面制备硅氧烷绝缘薄膜的AP-PECVD实验开展了探索性研究，并分别基于大气压弥散放电以及大气压介质阻挡放电两种放电形式搭建出了两套AP-PECVD实验装置；而后，基于此两种实验装置分别对氩气、空气等不同放电气体条件下的AP-PECVD实验的电气特性、发光特性，以及所制备硅氧烷薄膜的化学组成、亲疏水特性以及稳定特性等进行了考察，并最终基于制备可靠的硅氧烷绝缘薄膜的实验目标优选出了最优的实验参数；最后，结合对最优硅氧烷绝缘薄膜各介电特性的测试结果，从改善电缆内部导体表面缺陷处的畸变电场以及抑制金属微粒起举运动的效果上对其抑制微放电的作用进行了仿真以及实验研究。
　　本研究表明，基于大气压弥散放电的AP-PECVD实验受放电气体影响显著，其放电功率、薄膜制备效率以及所制备硅氧烷薄膜的氧化程度都随放电气体组成的改变而显著变化，并在700sccm空气/500sccm氩气的条件下制备出了薄膜面积最大、氧化程度最高的硅氧烷薄膜（类SiO2）。但是，受μs脉冲电源触发频率较低的影响，此时实验所制备的硅氧烷薄的膜厚度较小，均未能达到绝缘效果。而在基于大气压介质阻挡放电的AP-PECVD实验中，放电在3 slm氩气/500 sccm氩气（TEOS）的条件下实现了较为均匀的“多辉光”放电，并在15 min后制备出了可靠绝缘的硅氧烷薄膜。此外，空气老化测试实验结果表明，该硅氧烷绝缘薄膜具有优良的绝缘稳定特性，是进行抑制微放电研究的最优薄膜。硅氧烷绝缘薄膜的介电特性测试结果表明，经15min处理后所制备的最优硅氧烷绝缘薄膜的厚度约为2.07μm，相对介电常数约为3.96，体积电阻率约为6.55×1013Ω/cm。COMSOL电场仿真实验结果表明，经该硅氧烷绝缘薄膜覆盖后电缆中铜导体表面缺陷处的畸变电场得到了显著改善，由1.22×105V/cm减小至8.87×104V/cm，并且铜导体表面的电子场致发射能力也受到了抑制，其表面功函数由4.65eV提高至4.78eV，由此表明微放电的发生条件受到了抑制。此外，大气环境下线形金属微粒的起举电压测试结果表明，当电极经该硅氧烷绝缘薄膜覆盖后线形金属微粒的起举电压提高了约32%，由此表明因金属微粒起运动而产生的微放电现象也受到了抑制。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 大气压放电等离子体材料表面改性方法

1.3 中科院电工所研究工作

1.4 本文主要研究内容

2 实验装置与测量系统

2.1 基于大气压弥散放电的AP-PECVD实验装置

2.2 基于大气压介质阻挡放电的AP-PECVD实验装置

2.3 起举电压测量实验装置

2.4 理化特性分析方法

2.5 本章小结

3 基于大气压弥散放电的AP-PECVD实验

3.1 大气压弥散放电特性研究

3.2 AP-PECVD实验放电特性研究

3.3 薄膜化学组成分析

3.4 本章小结

4 基于大气压介质阻挡放电的AP-PECVD实验

4.1 大气压介质阻挡放电特性研究

4.2 AP-PECVD实验放电特性研究

4.3 薄膜化学组成分析

4.4 绝缘薄膜稳定性测试

4.5 本章小结

5 硅氧烷绝缘薄膜对微放电的抑制作用研究

5.1 介电特性测试

5.2 薄膜对导体表面畸变电场的改善作用

5.3 薄膜对金属微粒起举运动的抑制作用

5.4 本章小结

6 实验总结与展望

6.1 主要工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢