二氧化硅薄膜的制備及應用

班級:08微電子一班姓名:袁峰學號:087305136可編輯版摘要:

二氧化硅薄膜具有良好的硬度、光學、介電性質及耐磨、抗蝕等特性,在光學、微電子等領域有著廣泛的應用前景,是目前國際上廣泛關注的功能材料。論述了有關二氧化硅薄膜的制備方法,相應性質及其應用前景。

可編輯版二氧化硅具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、光透過率高、抗侵蝕能力強以及良好的介電性質。通過對各種制備方法、制備工藝的開發和不同組分配比對二氧化硅薄膜的影響研究,制備具有優良性能的透明二氧化硅薄膜的工作已經取得了很大進展。薄膜在諸多領域得到了很好的應用,如用于電子器件和集成器件、光學薄膜器件等相關器件中。利用納米二氧化硅的多孔性質可應用于過濾薄膜、薄膜反應和相關的吸收劑以及分離技術、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域具有很好的發展前景。可編輯版1二氧化硅薄膜的制備方法

化學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

可編輯版1.1化學氣相淀積（CVD）

化學氣相淀積是利用化學反應的方式，在反應室內，將反應物（通常是氣體）生成固態生成物，并淀積在硅片表面是的一種薄膜淀積技術。因為它涉及化學反應，所以又稱CVD（ChemicalVapourDeposition）。

可編輯版CVD法又分為常壓化學氣相沉積(APCVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、等離子增強化學氣相沉積(PECVD)和光化學氣相沉積等可編輯版1.1.1等離子體增強化學氣相沉積法

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,可在較低溫度下實現SiO2薄膜的沉積。這種方法的特點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,可準確控制沉積速率(約1nm樸s),生成的薄膜結構致密;缺點是真空度低,從而使薄膜中的雜質含量(Cl、O)較高,薄膜硬度低,沉積速率過快而導致薄膜內柱狀晶嚴重,并存在空洞等。

可編輯版1.1.2光化學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混合氣體中進行光化學反應。SiH4和O2分2路進入反應室,在紫外光垂直照射下,反應方程式如下

3O22O·3(<195nm)O·3O·+O2(200～300nm)總反應式為SiH4+2O2SiO2+氣體副產物(通N2排出)

可編輯版2.1物理氣相沉積(PVD)物理氣相沉積主要分為蒸發鍍膜、離子鍍膜和濺射鍍膜三大類。其中真空蒸發鍍膜技術出現較早,但此法沉積的膜與基體的結合力不強。在1963年,美國Sandia公司的D.M.Mattox首先提出離子鍍(IonPlating)技術,1965年,美國IBM公司研制出射頻濺射法,從而構成了PVD技術的三大系列——蒸發鍍,濺射鍍和離子鍍。可編輯版3.1熱氧化法干氧氧化濕氧氧化水汽氧化。可編輯版3.2溶膠凝膠法溶膠凝膠法是一種低溫合成材料的方法,是材料研究領域的熱點。早在19世紀中期,Ebelman和Graham就發現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透鏡片。這種方法的制作費用低、鍍膜簡單、便于大面積采用、且光學性能好,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展。通常,多孔SiO2薄膜的特性依賴溶膠2凝膠的制備條件、控制實驗條件(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、連續可調、結構可控的SiO2納米網絡。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。經過改進,以正硅酸乙酯(TEOS)和二甲基二乙氧基硅烷(DDS)2種常見的物質為原料,通過二者的共水解2縮聚反應向SiO2網絡中引入疏水的有機基團——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SiO2膜時添加聚乙二醇(PEG)可加強溶膠顆粒之間的交聯,改善SiO2膜層的機械強度,有利于提高抗激光損傷強度。可編輯版3.3液相沉積法在化學沉積法中,使用溶液的濕化學法因需要能量較小,對環境影響較小,在如今環境和能源成為世人矚目的問題之時備受歡迎,被稱為soft2process(柔性過程)。近年來在濕化學法中發展起一種液相沉積法(LPD),SiO2薄膜是用LPD法最早制備成功的氧化物薄膜。通常使用H2SiF6的水溶液為反應液,在溶液中溶入過飽和的SiO2(以SiO2、硅膠或硅酸的形式),溶液中的反應為:H2SiF6+2H2OSiO2+6HF。目前可在相當低的溫度(～40℃)成功地在GaAs基底上生長SiO2薄膜,其折射率約為1.423。PLD成膜過程不需熱處理,不需昂貴的設備,操作簡單,可以在形狀復雜的基片上制膜,因此使用廣泛。

可編輯版4二氧化硅（SiO2）薄膜的應用微電子領域光學領域其他方面可編輯版微電子領域：

在微電子工藝中,SiO2薄膜因其優越的電絕緣性和工藝的可行性而被廣泛采用。在半導體器件中,利用SiO2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半導體(MNSO)存儲器件中的電荷存儲層,集成電路中CMOS器件和SiGeMOS器件以及薄膜晶體管(TFT)中的柵介質層等。此外,隨著大規模集成電路器件集成度的提高,多層布線技術變得愈加重要,如邏輯器件的中間介質層將增加到4～5層,這就要求減小介質層帶來的寄生電容。鑒于此,現在很多研究者都對低介電常數介質膜的種類、制備方法和性能進行了深入研究。對新型低介電常數介質材料的要求是:在電性能方面具有低損耗可編輯版和低耗電;在機械性能方面具有高附著力和高硬度;在化學性能方面要求耐腐蝕和低吸水性;在熱性能方面有高穩定性和低收縮性。目前普遍采用的制備介質層的SiO2,其介電常數約為4.0,并具有良好的機械性能。如用于硅大功率雙極晶體管管芯平面和臺面鈍化,提高或保持了管芯的擊穿電壓,并提高了晶體管的穩定性。這種技術,完全達到了保護鈍化器件的目的,使得器件的性能穩定、可靠,減少了外界對芯片沾污、干擾,提高了器件的可靠性能。可編輯版光學領域：20世紀80年代末期,Si基SiO2光波導無源和有源器件的研究取得了長足的發展,使這類器件不僅具有優良的傳導特性,還將具備光放大、發光和電光調制等基本功能,在光學集成和光電集成器件方面很有應用前景,可作為波導膜、減反膜和增透膜。隨著光通信及集成光學研究的飛速發展,玻璃薄膜光波導被廣泛應用于光無源器件及集成光路中。制備性能良好的用作光波導的薄膜顯得至關重要。集成光路中光波導的一般要求: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、平整的光學用玻璃片或預先濺射足夠厚的SiO2薄膜的普通玻璃基片,使波導模瞬間場分布遠離粗糙表面,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展。可編輯版中國工程物理研究院與化學所用溶膠凝膠法成功地研制出紫外激光SiO2減反膜。結果表明,浸入涂膜法制備的多孔SiO2薄膜比早期的真空蒸發和旋轉涂膜法制備的SiO2薄膜有更好的減反射效果。在波長350nm處的透過率達到98%以上,紫外區的最高透過率達到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膜、增透膜方面也取得了一些進展。此法制備的SiO2光學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,廣泛地應用于增透光學元件上,如空間濾波器、窗口、靶室窗口或打靶透鏡。在諧波轉換元件KDP晶體上用溶膠工藝鍍制保護、增透膜,能改善KDP晶體的工作條件,提高諧波光束的質量與可聚焦功率。Thomas用溶膠2凝膠工藝制備的增透膜和保護膜在美國洛侖茲·利弗莫爾國家實驗室已使用多年。可編輯版其他方面：非晶態SiO2薄膜由于具有十分優良的負電荷充電和存儲能力,在20世紀80年代初、中期成為無機駐極體的代表性材料,與已經得到廣泛應用的傳統有機高分子聚合物駐極體相比,以單晶硅為基片的SiO2薄膜駐極體無疑具有不可比擬的優勢。除了電荷儲存壽命長(可達200～500年)、抗高溫惡劣環境能力強(可在近200℃溫度區內工作)外,還可以和現代硅半導體工藝相結合,實現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