二氧化硅薄膜制備65096 (2)課件

二氧化硅薄膜的制備及應(yīng)用

班級(jí):08微電子一班姓名:袁峰學(xué)號(hào):087305136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。

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。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(chēng)CVD（ChemicalVapourDeposition）。

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(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。

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(lèi)。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。3.1熱氧化法干氧氧化濕氧氧化水汽氧化。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”SiO2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SiO2薄膜的特性依賴(lài)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SiO2納米網(wǎng)絡(luò)。但是SiO2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,使用壽命較短。經(jīng)過(guò)改進(jìn),以正硅酸乙酯(TEOS)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SiO2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SiO2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SiO2膜層的機(jī)械強(qiáng)度,有利于提高抗激光損傷強(qiáng)度。4二氧化硅（SiO2）薄膜的應(yīng)用微電子領(lǐng)域光學(xué)領(lǐng)域其他方面微電子領(lǐng)域：

在微電子工藝中,SiO2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SiO2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(MNSO)存儲(chǔ)器件中的電荷存儲(chǔ)層,集成電路中CMOS器件和SiGeMOS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(lèi)、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SiO2,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。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SiO2減反膜。結(jié)果表明,浸入涂膜法制備的多孔SiO2薄膜比早期的真空蒸發(fā)和旋轉(zhuǎn)涂膜法制備的SiO2薄膜有更好的減反射效果。在波長(zhǎng)350nm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SiO2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SiO2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。其他方面：非晶態(tài)SiO2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SiO2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),在氧化氣氛中