二氧化硅薄膜制備

1、關(guān)于二氧化硅薄膜制備第1頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四摘要: 二氧化硅薄膜具有良好的硬度、光學(xué)、介電性質(zhì)及耐磨、抗蝕等特性,在光學(xué)、微電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,是目前國際上廣泛關(guān)注的功能材料。論述了有關(guān)二氧化硅薄膜的制備方法,相應(yīng)性質(zhì)及其應(yīng)用前景。 第2頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四 二氧化硅具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、光透過率高、抗侵蝕能力強(qiáng)以及良好的介電性質(zhì)。通過對各種制備方法、制備工藝的開發(fā)和不同組分配比對二氧化硅薄膜的影響研究,制備具有優(yōu)良性能的透明二氧化硅薄膜的工作已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。薄膜在諸多領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用,如用于電

2、子器件和集成器件、光學(xué)薄膜器件等相關(guān)器件中。利用納米二氧化硅的多孔性質(zhì)可應(yīng)用于過濾薄膜、薄膜反應(yīng)和相關(guān)的吸收劑以及分離技術(shù)、分子工程和生物工程等,從而在光催化、微電子和透明絕熱等領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。第3頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四1 二氧化硅薄膜的制備方法 化學(xué)氣相淀積法物理氣相淀積熱氧化法溶膠凝膠法液相沉積法 第4頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四1.1化學(xué)氣相淀積（CVD） 化學(xué)氣相淀積是利用化學(xué)反應(yīng)的方式，在反應(yīng)室內(nèi)，將反應(yīng)物（通常是氣體）生成固態(tài)生成物，并淀積在硅片表面是的一種薄膜淀積技術(shù)。因?yàn)樗婕盎瘜W(xué)反應(yīng)，所以又稱CVD（Che

3、mical Vapour Deposition）。 第5頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四CVD法又分為常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)和光化學(xué)氣相沉積等 第6頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四1.1.1等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法 利用輝光放電,在高頻電場下使稀薄氣體電離產(chǎn)生等離子體,這些離子在電場中被加速而獲得能量,可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)SiO2薄膜的沉積。這種方法的特點(diǎn)是沉積溫度可以降低,一般可從LPCVD中的700下降至200,且生長速率快,可準(zhǔn)確控制沉積速率(約1nm樸s),生成

4、的薄膜結(jié)構(gòu)致密;缺點(diǎn)是真空度低,從而使薄膜中的雜質(zhì)含量(Cl、O)較高,薄膜硬度低,沉積速率過快而導(dǎo)致薄膜內(nèi)柱狀晶嚴(yán)重,并存在空洞等。 第7頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四1.1.2光化學(xué)氣相沉積法 使用紫外汞燈(UV2Hg)作為輻射源,利用Hg敏化原理,在SiH4+N2O混合氣體中進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)。SiH4和O2分2路進(jìn)入反應(yīng)室,在紫外光垂直照射下,反應(yīng)方程式如下 3O 2 2O 3 ( 195 nm ) O 3 O + O 2 (200 300 nm )總反應(yīng)式為 SiH4+ 2O 2 SiO 2+ 氣體副產(chǎn)物(通N 2 排出) 第8頁，共20頁，2022年，5月20

5、日，18點(diǎn)4分，星期四2.1物理氣相沉積(PVD) 物理氣相沉積主要分為蒸發(fā)鍍膜、離子鍍膜和濺射鍍膜三大類。其中真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)出現(xiàn)較早,但此法沉積的膜與基體的結(jié)合力不強(qiáng)。在1963年,美國Sandia公司的D.M.Mattox首先提出離子鍍(IonPlating)技術(shù),1965年,美國IBM公司研制出射頻濺射法,從而構(gòu)成了PVD技術(shù)的三大系列蒸發(fā)鍍,濺射鍍和離子鍍。 第9頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四3.1 熱氧化法干氧氧化濕氧氧化水汽氧化。第10頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四3.2溶膠凝膠法 溶膠凝膠法是一種低溫合成材料的方法, 是材料研

6、究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。早在19 世紀(jì)中期, Ebelman 和Graham 就發(fā)現(xiàn)了硅酸乙酯在酸性條件下水解可以得到“玻璃狀透明的”SiO 2 材料, 并且從此在黏性的凝膠中可制備出纖維及光學(xué)透鏡片。這種方法的制作費(fèi)用低、鍍膜簡單、便于大面積采用、且光學(xué)性能好,適用于立體器件。過去10 年中, 人們在此方面已取得了較大進(jìn)展。通常, 多孔SiO 2 薄膜的特性依賴溶膠2凝膠的制備條件、控制實(shí)驗(yàn)條件(如溶膠組分、pH 值、老化溫度及時間、回流等) , 可獲得折射率在1. 009 1. 440、連續(xù)可調(diào)、結(jié)構(gòu)可控的SiO 2 納米網(wǎng)絡(luò)。但是SiO 2 減反射膜(即增透膜) 往往不具有疏水的性能, 受空氣中潮

7、氣的影響, 使用壽命較短。經(jīng)過改進(jìn), 以正硅酸乙酯(TEO S) 和二甲基二乙氧基硅烷(DDS) 2 種常見的物質(zhì)為原料, 通過二者的共水解2縮聚反應(yīng)向SiO 2 網(wǎng)絡(luò)中引入疏水的有機(jī)基團(tuán)CH3, 由此增加膜層的疏水性能。同時, 通過對體系溶膠2凝膠過程的有效控制, 使膜層同時具有良好的增透性能及韌性。此外, 在制備多孔SiO 2 膜時添加聚乙二醇(PEG) 可加強(qiáng)溶膠顆粒之間的交聯(lián), 改善SiO 2 膜層的機(jī)械強(qiáng)度, 有利于提高抗激光損傷強(qiáng)度。第11頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四3.3液相沉積法 在化學(xué)沉積法中, 使用溶液的濕化學(xué)法因需要能量較小, 對環(huán)境影響較小,

8、 在如今環(huán)境和能源成為世人矚目的問題之時備受歡迎, 被稱為sof t2p rocess (柔性過程)。近年來在濕化學(xué)法中發(fā)展起一種液相沉積法(L PD) , SiO 2 薄膜是用L PD 法最早制備成功的氧化物薄膜。通常使用H2SiF6 的水溶液為反應(yīng)液, 在溶液中溶入過飽和的SiO 2 (以SiO 2、硅膠或硅酸的形式) , 溶液中的反應(yīng)為: H2SiF6+ 2H2O SiO 2+ 6HF。目前可在相當(dāng)?shù)偷臏囟? 40 ) 成功地在GaA s 基底上生長SiO 2 薄膜, 其折射率約為1. 423。PLD 成膜過程不需熱處理, 不需昂貴的設(shè)備, 操作簡單, 可以在形狀復(fù)雜的基片上制膜, 因此

9、使用廣泛。 第12頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四4二氧化硅（SiO2）薄膜的應(yīng)用微電子領(lǐng)域光學(xué)領(lǐng)域其他方面第13頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四微電子領(lǐng)域： 在微電子工藝中, SiO 2 薄膜因其優(yōu)越的電絕緣性和工藝的可行性而被廣泛采用。在半導(dǎo)體器件中, 利用SiO 2 禁帶寬度可變的特性, 可作為非晶硅太陽電池的薄膜光吸收層, 以提高光吸收效率; 還可作為金屬2氮化物2氧化物2半導(dǎo)體(MN SO ) 存儲器件中的電荷存儲層, 集成電路中CMO S 器件和SiGeMO S 器件以及薄膜晶體管(TFT ) 中的柵介質(zhì)層等。此外, 隨著大規(guī)模集成電

10、路器件集成度的提高, 多層布線技術(shù)變得愈加重要, 如邏輯器件的中間介質(zhì)層將增加到4 5 層, 這就要求減小介質(zhì)層帶來的寄生電容。鑒于此, 現(xiàn)在很多研究者都對低介電常數(shù)介質(zhì)膜的種類、制備方法和性能進(jìn)行了深入研究。對新型低介電常數(shù)介質(zhì)材料的要求是: 在電性能方面具有低損耗第14頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四 和低耗電; 在機(jī)械性能方面具有高附著力和高硬度; 在化學(xué)性能方面要求耐腐蝕和低吸水性; 在熱性能方面有高穩(wěn)定性和低收縮性。目前普遍采用的制備介質(zhì)層的SiO 2, 其介電常數(shù)約為4. 0, 并具有良好的機(jī)械性能。如用于硅大功率雙極晶體管管芯平面和臺面鈍化, 提高或保持了

11、管芯的擊穿電壓, 并提高了晶體管的穩(wěn)定性。這種技術(shù), 完全達(dá)到了保護(hù)鈍化器件的目的, 使得器件的性能穩(wěn)定、可靠, 減少了外界對芯片沾污、干擾, 提高了器件的可靠性能。 第15頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四光學(xué)領(lǐng)域： 20 世紀(jì)80 年代末期, Si 基SiO 2 光波導(dǎo)無源和有源器件的研究取得了長足的發(fā)展, 使這類器件不僅具有優(yōu)良的傳導(dǎo)特性, 還將具備光放大、發(fā)光和電光調(diào)制等基本功能, 在光學(xué)集成和光電集成器件方面很有應(yīng)用前景, 可作為波導(dǎo)膜、減反膜和增透膜。隨著光通信及集成光學(xué)研究的飛速發(fā)展, 玻璃薄膜光波導(dǎo)被廣泛應(yīng)用于光無源器件及集成光路中。制備性能良好的用作光波

12、導(dǎo)的薄膜顯得至關(guān)重要。集成光路中光波導(dǎo)的一般要求: 單模傳輸、低傳輸損耗、同光纖耦合效率高等。波導(dǎo)損耗來源主要分為材料吸收、基片損耗、散射損耗三部分。通過選用表面粗糙度高、平整的光學(xué)用玻璃片或預(yù)先濺射足夠厚的SiO 2 薄膜的普通玻璃基片, 使波導(dǎo)模瞬間場分布遠(yuǎn)離粗糙表面, 以減少基底損耗。激光器用減反膜的研究也取得了很大的進(jìn)展。第16頁，共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四 中國工程物理研究院與化學(xué)所用溶膠凝膠法成功地研制出紫外激光SiO 2 減反膜。結(jié)果表明, 浸入涂膜法制備的多孔SiO 2 薄膜比早期的真空蒸發(fā)和旋轉(zhuǎn)涂膜法制備的SiO 2 薄膜有更好的減反射效果。在波長3

13、50 nm 處的透過率達(dá)到98% 以上, 紫外區(qū)的最高透過率達(dá)到99% 以上。該SiO 2 薄膜有望用于慣性約束聚變( ICF) 和X 光激光研究的透光元件的減反射膜。目前在溶膠凝膠工藝制備保護(hù)膜、增透膜方面也取得了一些進(jìn)展。此法制備的SiO 2 光學(xué)薄膜在慣性約束聚變的激光裝置中已成為一種重要的手段, 廣泛地應(yīng)用于增透光學(xué)元件上, 如空間濾波器、窗口、靶室窗口或打靶透鏡。在諧波轉(zhuǎn)換元件KDP 晶體上用溶膠工藝鍍制保護(hù)、增透膜, 能改善KDP 晶體的工作條件,提高諧波光束的質(zhì)量與可聚焦功率。Thomas 用溶膠2凝膠工藝制備的增透膜和保護(hù)膜在美國洛侖茲利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室已使用多年。 第17頁，

14、共20頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)4分，星期四其他方面： 非晶態(tài)SiO 2 薄膜由于具有十分優(yōu)良的負(fù)電荷充電和存儲能力, 在20 世紀(jì)80 年代初、中期成為無機(jī)駐極體的代表性材料, 與已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)有機(jī)高分子聚合物駐極體相比, 以單晶硅為基片的SiO 2 薄膜駐極體無疑具有不可比擬的優(yōu)勢。除了電荷儲存壽命長(可達(dá)200 500 年)、抗高溫惡劣環(huán)境能力強(qiáng)(可在近200 溫度區(qū)內(nèi)工作) 外, 還可以和現(xiàn)代硅半導(dǎo)體工藝相結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)微型化甚至集成電路化。在駐極體電聲器件與傳感器件、駐極體太陽能電池板、駐極體馬達(dá)與發(fā)電機(jī)等方面獲得更廣泛的應(yīng)用。此外, 在研究中還發(fā)現(xiàn), 在氧化氣氛中進(jìn)行后處理能夠改善各種沉積方法制備的SiO 2 薄膜的