8-等離子體化學(xué)氣相沉積資料

8等離子體化學(xué)氣相沉積〔淀積〕〔PCVD〕材料學(xué)院2023年10月主要內(nèi)容1、CVD技術(shù)根底2、其次代薄膜技術(shù)PCVD根本特征3、PCVD裝置4、PCVD膜的根本評(píng)價(jià)5、PCVD技術(shù)應(yīng)用1、CVD技術(shù)根底化學(xué)氣相沉積〔ChemicalVaporDeposition，CVD〕，通常是指將氣態(tài)物質(zhì)經(jīng)化學(xué)反響生成固態(tài)物質(zhì)并沉積在基片上的化學(xué)過程。反響式：A(g〕+B〔g〕→C〔s〕+D〔g〕CVD的分類按激活反響體系所承受的能量方式不同，分：熱CVD等離子增加CVD(PECVD,PCVD)激光增加CVD(LECVD)光CVD常規(guī)CVD優(yōu)缺點(diǎn)最早應(yīng)用的是熱激發(fā)的常壓CVD，其反響溫度大多在1000℃以上。優(yōu)點(diǎn)：可制作金屬、非金屬及多成分合金薄膜成膜速度快，能同時(shí)制作多工件的均勻鍍層在常壓或低真空進(jìn)展鍍膜的繞射性好純度高，致密性好，剩余應(yīng)力小，結(jié)晶良好獲得平滑沉積外表輻射損傷低缺點(diǎn)反響溫度太高常壓CVD雖已有種種應(yīng)用，但高溫工藝是其制約：限定了化學(xué)薄膜合成的應(yīng)用范圍。對(duì)高溫下易分解或者不穩(wěn)定的物質(zhì)不適用；生成的薄膜易受高溫?zé)釗p傷，影響膜的性能；對(duì)于基片的要求比較苛刻，使得選擇余地少，本錢增加；能源消耗大，操作條件差。因此，CVD技術(shù)低溫化是始終尋求的目標(biāo)！解決方法：利用金屬有機(jī)化合物做源物質(zhì)的化學(xué)氣相沉積MOCVD是一個(gè)有效途徑。AlR3〔R為烷基〕熱分解沉積Al薄膜，反響溫度200~250℃Al〔OC3H7)3熱分解沉積Al2O3，反響溫度420℃但這種方法也有問題：很多待沉積的物質(zhì)，往往找不到適宜的金屬有機(jī)化合物做源物質(zhì)，即使找得到，合成源物質(zhì)本身一般也很麻煩；很多金屬有機(jī)化合物本身易燃或有毒。2、PCVD技術(shù)根本特征等離子體化學(xué)氣相沉積〔PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)借助等離子體使含有薄膜組成原子的氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反響，在基片上沉積成膜的一種方式。特殊適合于功能材料薄膜和化合物膜。通過氣體放電來制備薄膜，從根本上轉(zhuǎn)變了反響體系的能量供給方式，有效利用非平衡等離子體的反響特征。氣壓10-1~102Pa，Te>>Ti，電子溫度比氣體溫度約高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，這種熱力學(xué)非平衡狀態(tài)正適合于薄膜技術(shù)。等離子體中的電子溫度高達(dá)10000K，有足夠能量通過碰撞過程使氣體分子激發(fā)、分解和電離；產(chǎn)生大量反響活性物質(zhì)，而整個(gè)反響體系卻保持較低溫度；原本在熱力學(xué)平衡態(tài)下需要相當(dāng)高溫度才能發(fā)生的化學(xué)反響，假設(shè)利用非平衡等離子體便可在低得多的溫度條件下實(shí)現(xiàn)；即PCVD的根本特征：實(shí)現(xiàn)了薄膜沉積工藝的低溫化。另外，PCVD還可賜予所沉積薄膜以獨(dú)特性能，而且是一種高生產(chǎn)力量、節(jié)省資源、節(jié)省能源的制膜工藝。PCVD和常壓CVD溫度比較薄膜物質(zhì)反應(yīng)物常壓CVDPCVDSi3N4SiH4+NH3(N2)700-900℃250-500℃SiO2SiH4+N2O900-1200℃200-300℃Al2O3AlCl3+O2700-1000℃100-500℃高聚物有機(jī)單體100℃3、PCVD根本裝置 根本類型：按發(fā)生方法分為：直流輝光放電射頻放電——是應(yīng)用最普遍的一種，分感應(yīng)耦合和電容耦合兩種微波放電——可與離子注入等手段相結(jié)合直流輝光PCVD裝置以直流輝光放電等離子體增加措施沉積TiN為例，說明直流PCVD設(shè)備構(gòu)造的特點(diǎn)，如下圖示意圖。設(shè)備由氣源系統(tǒng)、離子沉積反響室、抽氣系統(tǒng)組成。所需通入的氫氣，氮?dú)獗匦铻楦呒儦?。由于反響室的真空度}=hCVD的高，故TiCI。不需用水浴加熱便可氣化。工件接電源負(fù)極，要有牢靠的輸電裝置。沉積室壁接電源正極，工件可以吊掛，也可以用托盤擺放。離子沉積室一般可不設(shè)幫助加熱源。離子沉積室用旋片式機(jī)械泵抽真空。本底(即預(yù)抽)真空度為1～10Pa，沉積真空度為5×10-2Pa左右。工件靠反響氣體放電產(chǎn)生的氮離子、氫離子、鈦離子轟擊加熱至沉積溫度。同時(shí)，這些高能態(tài)氣體粒子在工件四周形成的陰極位降區(qū)內(nèi)反響生成TiN并沉積在工件上。為防止氯化氫對(duì)環(huán)境和泵體的污染、腐蝕，在抽氣管路上設(shè)置液氮冷阱使氯化氫氣冷凝。射頻放電PCVD、微波放電PCVD裝置示意圖感應(yīng)耦合型PCVD〔最早應(yīng)用的〕特點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)潔，污染少。存在的問題：電場(chǎng)及氣流分布不如平板型裝置均勻，大面積沉積時(shí)膜厚均勻性差，一般基片面積以10cm2為限，適合作為小型試驗(yàn)裝置；由于高頻線圈為開放式，空間干擾嚴(yán)峻，如使用靜電探針的話難度較大。平行板電容耦合型PCVD裝置通常反響器外殼為不銹鋼并且接地。特點(diǎn)：整體看，反響室處于零電位的導(dǎo)體所包圍；自偏壓數(shù)值較大，陽極基片上正在生長的薄膜可免遭荷能粒子的轟擊；電場(chǎng)、氣場(chǎng)和溫度場(chǎng)的均勻性好。加熱方式——如下兩種：反響室外部下端加熱——便于操作，削減污染；將加熱器放到反響室內(nèi)——更易于準(zhǔn)確控溫。平行板電容耦合型PCVD裝置適合于大面積薄膜沉積，工藝上也便于設(shè)計(jì)成自動(dòng)化流水線。對(duì)上述平行板耦合PCVD裝置的改進(jìn)：電場(chǎng)強(qiáng)度中間強(qiáng)，四周弱，即由極板中心向四周有所減弱。改進(jìn)方法：改從四周進(jìn)氣，中心排氣。這樣，與電場(chǎng)漸弱方向“逆向”導(dǎo)入氣體，可利用氣體場(chǎng)濃度分布來彌補(bǔ)一下電場(chǎng)分布的變化，會(huì)更加有利于均勻成膜；從上部用多孔噴頭旋轉(zhuǎn)噴氣。主要目的：通過改善氣場(chǎng)分布來獲得大面積均勻沉積。PCVD裝置中需要考慮的留意事項(xiàng)反響室問題：射頻電極的屏蔽問題；基片的放置問題：為避開污染，往往改為向上沉積或基片垂直放置；基片的加熱和測(cè)溫問題：應(yīng)考慮基片和基片臺(tái)的溫度差；氣體的導(dǎo)入與排氣系統(tǒng)：要求嚴(yán)格掌握反響室中的氣壓和氣流流速；廢氣處理：腐蝕性、易燃性、有毒氣體，必需設(shè)置尾氣安全處理裝置，洗滌、吸取、除掉公害物質(zhì)方可排入大氣。典型有用PCVD裝置1〕多室閘鎖式PCVD裝置示意圖適合多層沉積又不至于穿插污染。2〕多電極式PCVD裝置可有效增加生產(chǎn)力量。3〕旋轉(zhuǎn)式PCVD裝置適合于圓筒形基體外表沉積薄膜，如復(fù)印機(jī)滾筒光敏外表等。4、PCVD膜的根本評(píng)價(jià)一般從組成、形貌、構(gòu)造、物性、穩(wěn)定性等方面考察。評(píng)價(jià)質(zhì)量的根本動(dòng)身點(diǎn)：膜厚膜質(zhì)均一，化學(xué)穩(wěn)定性好；結(jié)晶性能好，外表和內(nèi)部不含有特別生長局部，無針孔；與基片密接性好，不產(chǎn)生應(yīng)力；具有預(yù)期的材料構(gòu)造和物性；多層覆膜時(shí)，對(duì)外表臺(tái)階的被覆性好。PCVD工藝設(shè)計(jì)因素較多：放電頻率和功率；反響室的構(gòu)造和尺寸；反響氣體的組成、性質(zhì)、流量和氣壓；基片種類、溫度、外表外形等。目前大多數(shù)從放電功率、氣壓、流量、基片溫度等操作參數(shù)來爭(zhēng)論。5、PCVD技術(shù)應(yīng)用5.1PCVD技術(shù)的廣泛適用性幾乎普及全部材料領(lǐng)域的薄膜制備和外表改性，特殊是：無機(jī)新材料電子材料光學(xué)材料能源材料機(jī)械材料高分子材料應(yīng)用舉例集成電路及半導(dǎo)體器件金屬布線——Al線鈍化工藝200~300℃下沉積，解決了常規(guī)CVD工藝的高溫問題。非晶薄膜，如非晶硅、非晶鍺、非晶碳膜非晶硅廣泛用于太陽能電池，現(xiàn)在已有用α-Si作薄膜晶體管的液晶壁掛電視機(jī)?；衔锇雽?dǎo)體薄膜GaN、AlN、GaAs、SnO2、TiO2機(jī)械加工領(lǐng)域。刀具、量具、表殼上沉積超硬耐磨涂層，如TiN。特點(diǎn)：硬度大，耐磨性強(qiáng)，耐蝕性好，有美觀的金黃色；沉積溫度可降至高速鋼回火溫度以下。金剛石薄膜，或TiN、TiC、TaN、CrN〔可用濺射離子鍍膜方法〕TiN薄膜金剛石薄膜微觀形貌5.2非晶硅及太陽能電池非晶硅作為光電轉(zhuǎn)換材料的優(yōu)點(diǎn)：光能隙接近于獲得最大理論轉(zhuǎn)換效率的數(shù)值；光吸取系數(shù)比單晶硅約大3~6倍；光譜靈敏度與太陽光匹配良好。PCVD工藝條件：反響氣體SiH4，氣體流量20-30ml/min，氣壓10-100Pa，襯底溫度200-300℃，放電功率4W〔電極直徑150mm〕。設(shè)備為多室閘鎖式裝置，通過變換通入反響器的氣體種類，就能連續(xù)獲得非晶硅太陽能電池的pin多層構(gòu)造。非晶硅薄膜太陽能電池板商品：計(jì)算器、收音機(jī)、公園路燈、公共場(chǎng)所顯示牌、海島燈、航標(biāo)、遙遠(yuǎn)地區(qū)電視機(jī)電源等。進(jìn)展：工廠、學(xué)校、住宅電力供給——大規(guī)模發(fā)電用太陽能電池陣列〔太陽能發(fā)電站〕。5.3PCVD低壓合成金剛石金剛石：特點(diǎn)：硬度大，熱導(dǎo)率特殊高，常溫下為銅熱導(dǎo)率的5倍以上，熱膨脹系數(shù)特殊小，不到銅的1/7，電阻率高，絕緣性好。應(yīng)用：軸承、切削刀具、