二氧化硅薄膜材料制备技术bo.ppt

1、二氧化硅薄膜材料制备技术二氧化硅薄膜材料制备技术 二氧化硅二氧化硅(Si02)(Si02)具有硬度高、耐磨性好、绝热性好、具有硬度高、耐磨性好、绝热性好、光透过率高、抗侵蚀能力强以及良好的介电性质。光透过率高、抗侵蚀能力强以及良好的介电性质。通过对各种制备方法、制备工艺的开发和不同组分配通过对各种制备方法、制备工艺的开发和不同组分配比对比对SiO2SiO2薄膜的影响研究，制备具有优良性能的透明薄膜的影响研究，制备具有优良性能的透明SiO2SiO2薄膜的工作已经取得了很大进展。薄膜的工作已经取得了很大进展。薄膜在诸多领域得到了很好的应用，如用于电子器件薄膜在诸多领域得到了很好的应用，如用于电子器

2、件和集成器件、光学薄膜器件、传感器等相关器件中。利用和集成器件、光学薄膜器件、传感器等相关器件中。利用纳米二氧化硅的多孔性质可应用于过滤薄膜、薄膜反应和纳米二氧化硅的多孔性质可应用于过滤薄膜、薄膜反应和相关的吸收剌以及分离技术、分子工程和生物工程等，从相关的吸收剌以及分离技术、分子工程和生物工程等，从而在光催化、微电子和透明绝热等领域具有很好的发展前而在光催化、微电子和透明绝热等领域具有很好的发展前景。其薄膜在半导体器件及其制造过程中起着十分重要的景。其薄膜在半导体器件及其制造过程中起着十分重要的作用。它既可以作为杂质选择扩散的掩蔽层，又可用于器作用。它既可以作为杂质选择扩散的掩蔽层，又可用于

3、器件表面的保护层和钝化层；在半导体激光器中，还可在其件表面的保护层和钝化层；在半导体激光器中，还可在其端面作为增反或增透层，来提高激光器的性能与使用寿命。端面作为增反或增透层，来提高激光器的性能与使用寿命。二氧化硅薄膜的性质二氧化硅薄膜的性质 二氧化硅薄膜二氧化硅薄膜(Si02)具有熔点高、膜层牢固、抗磨耐具有熔点高、膜层牢固、抗磨耐腐蚀、保护能力强、对光的散射吸收小等独特性能。腐蚀、保护能力强、对光的散射吸收小等独特性能。SiO2薄膜的透明区为薄膜的透明区为160nm9um，其在，其在200nm4um波段为无吸收区。波段为无吸收区。折射率折射率n=1.46(=550nm),n=10445(=

4、1.6um)。Si02薄膜为无定型结构薄膜为无定型结构(非晶态非晶态)，淀积时基底温度不，淀积时基底温度不同，所制备的薄膜的填充密度也不同。基底温度为同，所制备的薄膜的填充密度也不同。基底温度为30 时，填充密度为时，填充密度为0.9，基底温度为，基底温度为150 时，填时，填充密度为为充密度为为0.98。二氧化硅薄膜呈现压应力，其具有。二氧化硅薄膜呈现压应力，其具有良好的化学稳定性，机械性能极为牢固，无吸湿性。良好的化学稳定性，机械性能极为牢固，无吸湿性。o薄膜可用于紫外、可见和红外区各种多层膜，此薄膜可用于紫外、可见和红外区各种多层膜，此外还可用于防潮解、防腐蚀的保护膜。外还可用于防潮解、

5、防腐蚀的保护膜。二氧化硅薄膜常用的制备方法二氧化硅薄膜常用的制备方法 典型的硅基二氧化硅薄膜制作的波导有四典型的硅基二氧化硅薄膜制作的波导有四层组成层组成:Si基底基底(Substrate)，缓冲层，缓冲层(Buffer)，芯层芯层(Core)和覆层和覆层(Cladding)材料与制作方法的选择可以遵循下述原则：材料与制作方法的选择可以遵循下述原则：(1)波导层厚度和折射率的误差都要小，而且均匀；波导层厚度和折射率的误差都要小，而且均匀；(2)传输损耗小，通常应在传输损耗小，通常应在1 dBcm以下，换言之，以下，换言之，光学透明度好，表面凹凸小，光学散射少；光学透明度好，表面凹凸小，光学散射

6、少；(3)在晶体的情况下，纯度和光轴应符合要求；在晶体的情况下，纯度和光轴应符合要求；(4)强度大，与树底附着性好；强度大，与树底附着性好；(5)工艺重复性好。工艺重复性好。方法：溶胶凝胶法方法：溶胶凝胶法(SolGel)、火焰水解法、火焰水解法(FHD)、等离子体增强化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、高温热氧化高温热氧化(Thermal Oxidation)等多种制备方法。等多种制备方法。溶胶凝胶法溶胶凝胶法(SolGel)溶胶凝胶法是将各种添加剂与硅酸乙酯溶胶凝胶法是将各种添加剂与硅酸乙酯TEOSSi(OC2H5)4)和溶剂和溶剂(通常为乙醇通常为乙醇)在一定条在一定条

7、件下混合，经过水解、缩聚等反应，形成稳定件下混合，经过水解、缩聚等反应，形成稳定的溶胶，然后将其涂在的溶胶，然后将其涂在Si基底上，随着溶剂的基底上，随着溶剂的蒸发和缩聚反应的进行，胶体的结构强度增加，蒸发和缩聚反应的进行，胶体的结构强度增加，溶胶逐渐固化为凝胶，经过干燥和烧结后，在溶胶逐渐固化为凝胶，经过干燥和烧结后，在Si基底上形成基底上形成SiO2膜。膜。反应中，常以盐酸作催化剂。在溶胶凝胶的转反应中，常以盐酸作催化剂。在溶胶凝胶的转变过程中，温度、组分和浓度等各参数对凝胶变过程中，温度、组分和浓度等各参数对凝胶的结构和性质有较大影响。的结构和性质有较大影响。火焰水解法火焰水解法(Fla

8、me Hydrolysis Deposition)火焰水解法火焰水解法(FHD)是一种光纤制备工艺。它是一种光纤制备工艺。它具有沉积速度快、容易实现掺杂等特点。具有沉积速度快、容易实现掺杂等特点。火焰水解法的原理为，在火焰水解法的原理为，在H2和和O2的燃烧气的燃烧气氛中，通过氛中，通过SiCl4的水解作用，生成的的水解作用，生成的 SiO2细微颗粒沉积在所基的表面上。经火细微颗粒沉积在所基的表面上。经火焰水解沉积后，将焰水解沉积后，将Si片送入高温炉中进行烧片送入高温炉中进行烧结，这需要很高的温度，大约结，这需要很高的温度，大约1100至至1300 ，烧结后得到致密化的，烧结后得到致密化的S

9、iO2膜。膜。等离子体增强化学气相沉积等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等离子体增强化学气相沉积等离子体增强化学气相沉积(PECVD)利用辉光利用辉光放电，在高频电场下使稀薄气体电离产生等离放电，在高频电场下使稀薄气体电离产生等离子体，这些离子在电场中被加速而获得能量，子体，这些离子在电场中被加速而获得能量，可在较低温度下实现可在较低温度下实现SiO2薄膜的沉积。薄膜的沉积。利用利用PECVD制备制备SiO2膜时，可通过调节反应气膜时，可通过调节反应气体的流量比、反应室中的压力、温度及射频功体的流量比、反应室中的压力、温度及射频功率等参数，控制率等参数，控制SiO2膜的生长速率。将沉积后膜

10、的生长速率。将沉积后的的Si片进行退火，消除片进行退火，消除Si膜中膜中H原子的影响，得原子的影响，得到高质量的到高质量的SiO2膜。膜。采用采用PECVD技术制备薄膜材料时，薄膜的生技术制备薄膜材料时，薄膜的生长主要包含以下三个基本过程：长主要包含以下三个基本过程：首先，在非平衡等离子体中，电子与反应气首先，在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发生分解，体发生初级反应，使得反应气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物；形成离子和活性基团的混合物；其二，各种活性基团向薄膜生长表面和管壁其二，各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反扩散输运，

11、同时发生各反应物之间的次级反应：应：最后，到达生长表面的各种初级反应和次级最后，到达生长表面的各种初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。随有气相分子物的再放出。热氧化法热氧化法(Thermal Oxidation)热氧化法是在高温条件下热氧化法是在高温条件下(9001200)是硅片表面是硅片表面发生氧化而形成发生氧化而形成SiO2膜的方法包括，干氧氧化、湿膜的方法包括，干氧氧化、湿氧氧化以及水汽氧化。氧氧化以及水汽氧化。利用高压水汽氧化在硅基上制备利用高压水汽氧化在硅基上制备SiO2下包层时，膜下包层时，膜层的厚度可以

12、得到极好的控制，但这种方法生长速层的厚度可以得到极好的控制，但这种方法生长速度非常缓慢，生长厚度非常缓慢，生长厚SiO2膜所需时间很长。为了解膜所需时间很长。为了解决以上问题，出现了一种制备超薄决以上问题，出现了一种制备超薄SiO2薄膜的新方薄膜的新方法法快速热工艺氧化法，或称快速热氧化法。这快速热工艺氧化法，或称快速热氧化法。这种方法采用快速热工艺系统，精确地控制高温短时种方法采用快速热工艺系统，精确地控制高温短时间的氧化过程，获得了牲能优良的超薄间的氧化过程，获得了牲能优良的超薄SiO2薄膜。薄膜。譬如硅烷低温氧化沉积譬如硅烷低温氧化沉积SiO2薄膜，温度在薄膜，温度在400左右，左右，在

13、含氧的气氛中硅烷在衬底表面上热分解，并与氧在含氧的气氛中硅烷在衬底表面上热分解，并与氧气反应生成气反应生成SiO2，其化学反应式为，其化学反应式为：为了防止硅烷自燃，通常使用氮气或氩气稀释为了防止硅烷自燃，通常使用氮气或氩气稀释硅烷。在这些条件下生长的薄膜，具有较高的硅烷。在这些条件下生长的薄膜，具有较高的绝缘强度和相当快的生长速度。绝缘强度和相当快的生长速度。这种方法的特点是设备简单，温度低，不生成这种方法的特点是设备简单，温度低，不生成气态有机原子团，生长速率快，膜厚容易控制；气态有机原子团，生长速率快，膜厚容易控制；缺点是大面积均匀性差，结构较疏松，腐蚀速缺点是大面积均匀性差，结构较疏松

14、，腐蚀速度较快，且气体管道中易出现硅烷氧化，形成度较快，且气体管道中易出现硅烷氧化，形成白粉，因而沉积白粉，因而沉积SiO2粉尘的污染在所难免。粉尘的污染在所难免。热氧化跟基体的界面不明显，几乎不用担心薄热氧化跟基体的界面不明显，几乎不用担心薄膜与基体之间的剥离问题，可以获得优质、致膜与基体之间的剥离问题，可以获得优质、致密、厚度可精密控制的绝缘薄膜。密、厚度可精密控制的绝缘薄膜。热生长氧化法，是指硅片与氧化剂热生长氧化法，是指硅片与氧化剂(氧、水氧、水或其他含氧物质或其他含氧物质)在高温下进行反应而生长在高温下进行反应而生长出一层二氧化硅膜的方法。出一层二氧化硅膜的方法。热分解沉积氧化法，是

15、利用含硅的化合物，热分解沉积氧化法，是利用含硅的化合物，经过热分解反应，在基片表面按沉积一层二经过热分解反应，在基片表面按沉积一层二氧化硅膜的方法。氧化硅膜的方法。其他氧化法：真空蒸汽法，阴极反应溅射法，其他氧化法：真空蒸汽法，阴极反应溅射法，阳极氧化法等。阳极氧化法等。二氧化硅薄膜应用二氧化硅薄膜应用 微电子领域：在微电子工艺中，二氧化硅薄膜微电子领域：在微电子工艺中，二氧化硅薄膜因其优越的电绝缘住和工艺的可行住而被广泛因其优越的电绝缘住和工艺的可行住而被广泛采用。采用。光学领域：硅基光学领域：硅基SiO2光波导无源和有源器件的光波导无源和有源器件的研究取得了长足的发展，使这类器件不仅具有研究取得了长足的发展，使这类器件不仅具有优良的传导特性，还将具备光放大、发光和电优良的传导特性，还将具备光放大、发光和电光调制等基本功能，在光学集成和光电集成器光调制等基本功能，在光学集成和光电集成器件方面很有应用前景，可作为波导膜、减反膜件方面很有应用前景，可作为波导膜、减反膜和增透膜。和增透膜。非晶态非晶态Si02薄膜由于具有十分优良的负电荷充薄膜由于具有十分优良的负电荷充电积存储能。电积存储能。