二氧化硅薄膜制備

1、關(guān)于二氧化硅薄膜制關(guān)于二氧化硅薄膜制備備現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第1頁(yè)，共20頁(yè)摘要摘要: 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(guó)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。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第2頁(yè)，共20頁(yè) 二氧化硅具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、光透過(guò)率高、抗侵蝕能力強(qiáng)以及良好的介電性質(zhì)。通過(guò)對(duì)各種制備方法、制備工藝的開(kāi)發(fā)和不同組分配比對(duì)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,如用于電子器件和集成器件、光學(xué)薄膜器件等相關(guān)器件

2、中。利用納米二氧化硅的多孔性質(zhì)可應(yīng)用于過(guò)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?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第3頁(yè)，共20頁(yè)1 二氧化硅薄膜的制備方法二氧化硅薄膜的制備方法 化學(xué)氣相淀積法化學(xué)氣相淀積法物理氣相淀積物理氣相淀積熱氧化法熱氧化法溶膠凝膠法溶膠凝膠法液相沉積法液相沉積法 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第4頁(yè)，共20頁(yè)1.1化學(xué)氣相淀積（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（Chemical V

3、apour Deposition）。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第5頁(yè)，共20頁(yè)CVD法又分為常壓化學(xué)氣相沉積常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)、低低壓化學(xué)氣相沉積壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積相沉積(PECVD)和和光化學(xué)氣相沉積光化學(xué)氣相沉積等 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第6頁(yè)，共20頁(yè)1.1.1等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法 利用輝光放電,在高頻電場(chǎng)下使稀薄氣體電離產(chǎn)生等離子體,這些離子在電場(chǎng)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(zhǎng)速率快,可準(zhǔn)確控制沉積速率(約

4、1nm樸s),生成的薄膜結(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(guò)快而導(dǎo)致薄膜內(nèi)柱狀晶嚴(yán)重,并存在空洞等。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第7頁(yè)，共20頁(yè)1.1.2光化學(xué)氣相沉積法光化學(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) 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第8頁(yè)，共20頁(yè)2.1物

5、理氣相沉積物理氣相沉積(PVD) 物理氣相沉積主要分為蒸發(fā)鍍膜蒸發(fā)鍍膜、離子鍍膜離子鍍膜和濺射鍍膜濺射鍍膜三大類。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(guó)Sandia公司的D.M.Mattox首先提出離子鍍(IonPlating)技術(shù),1965年,美國(guó)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。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第9頁(yè)，共20頁(yè)3.1 熱氧化法熱氧化法干氧氧化干氧氧化濕氧氧化濕氧氧化水汽氧化。水汽氧化?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第10頁(yè)，共20頁(yè)3.2溶膠凝膠法溶膠凝膠法 溶膠凝膠法是一種低溫合成材料的方法, 是材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

6、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(jiǎn)單、便于大面積采用、且光學(xué)性能好,適用于立體器件。過(guò)去10 年中, 人們?cè)诖朔矫嬉讶〉昧溯^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(shí)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, 受空氣中潮氣的影響, 使

7、用壽命較短。經(jīng)過(guò)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(jiàn)的物質(zhì)為原料, 通過(guò)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(shí), 通過(guò)對(duì)體系溶膠2凝膠過(guò)程的有效控制, 使膜層同時(shí)具有良好的增透性能及韌性。此外, 在制備多孔SiO 2 膜時(shí)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。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第11頁(yè)，共20頁(yè)3.3液相沉積法液相沉積法 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(duì)環(huán)境影響較小, 在如今環(huán)境和能源成為世人矚目的問(wèn)題

8、之時(shí)備受歡迎, 被稱為sof t2p rocess (柔性過(guò)程)。近年來(lái)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(guò)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(zhǎng)SiO 2 薄膜, 其折射率約為1. 423。PLD 成膜過(guò)程不需熱處理, 不需昂貴的設(shè)備, 操作簡(jiǎn)單, 可以在形狀復(fù)雜的基片上制膜, 因此使用廣泛。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第12頁(yè)，共

9、20頁(yè)4二氧化硅（二氧化硅（SiO2）薄膜的應(yīng)用）薄膜的應(yīng)用微電子領(lǐng)域光學(xué)領(lǐng)域其他方面現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第13頁(yè)，共20頁(yè)微電子領(lǐng)域：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(yáng)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(chǔ)器件中的電荷存儲(chǔ)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

10、介質(zhì)層將增加到4 5 層, 這就要求減小介質(zhì)層帶來(lái)的寄生電容。鑒于此, 現(xiàn)在很多研究者都對(duì)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(duì)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現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第14頁(yè)，共20頁(yè) 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(tái)面鈍化, 提高或保持了管芯的擊穿電壓, 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

11、能穩(wěn)定、可靠, 減少了外界對(duì)芯片沾污、干擾, 提高了器件的可靠性能。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第15頁(yè)，共20頁(yè)光學(xué)領(lǐng)域：光學(xué)領(lǐng)域： 20 世紀(jì)80 年代末期, Si 基SiO 2 光波導(dǎo)無(wú)源和有源器件的研究取得了長(zhǎng)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(wú)源器件及集成光路中。制備性能良好的用作光波導(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(lái)源主要分為材料吸

12、收、基片損耗、散射損耗三部分。通過(guò)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(chǎng)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?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第16頁(yè)，共20頁(yè) 中國(guó)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(zhǎng)350 nm 處的透過(guò)率達(dá)到98% 以上, 紫外區(qū)的最高透過(guò)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

13、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(guó)洛侖茲利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已使用多年。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第17頁(yè)，共20頁(yè)其他方面：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(chǔ)能力, 在20 世紀(jì)80 年代初、中期成為無(wú)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(wú)疑具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。除了電荷儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)(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(yáng)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)