等离子体增强化学气相沉积法制备类金刚石薄膜研究综述

类金刚石薄膜由于其独特的物理化学特性,使得该薄膜在光学、电学、机械、医学、航空航天等领域得到了广泛应用。等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)制备类金刚石是近几十年兴起的新的制备类金刚石薄膜的方法,因其对沉积温度要求低,对基底友好,同时还具有沉积速率快和无转移生长的优势,获得了越来越多的研究者关注。详细介绍了类金刚石薄膜优异的特性,阐述了在等离子化学气相沉积条件下,不同沉积条件对沉积类金刚石薄膜结构特性的影响。衬底的选择直接影响着沉积类金刚石薄膜的性能,不同的衬底直接决定着生成类金刚石结构中sp^(3)相的数量和质量;沉积参数是最为常见的控制条件,对沉积薄膜的总体效果影响也是最大的,改变沉积参数,沉积薄膜的表面将会变得更加光滑致密;常用的掺杂元素是硅和氮,掺杂元素的引入往往是为了降低沉积薄膜的内应力,提高与衬底间的结合力,延长使用寿命等;由于很难直接在金属上沉积类金刚石薄膜,所以常通过制备复合层来改善沉积效果。最后对类金刚石薄膜的发展以及今后研究方向进行了展望。

模拟分析SiH_4和N_2O产生等离子体加强化学沉积制备SiO_2薄膜

通过等离子体粒子模拟实验(PIC),成功模拟了硅烷(SiH4)和笑气(N2O)的等离子体加强化学沉积(PECVD)制备SiO2薄膜的过程。模拟实验过程分析了电离后各种离子的动能、以及鞘层的空间和能量分布。分析这些物理参量,对比SiH4和N2O的等离子体加强化学沉积实验中的化学反应式,模拟实验结果从动能、能量空间分布的角度都能合理地解释等离子体加强化学沉积制备SiO2薄膜的实验过程,通过这些粒子模拟实验(PIC),从理论上合理地解释了使用SiH4和N2O形成SiO2薄膜的一些形成机制。

低温等离子体增强化学气相沉积技术制备碳纳米管

由于等离子体在低温下具有高活性的特点 ,等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)技术可显著降低薄膜沉积的温度范围。通常条件下 ,高质量碳纳米管的生长要求 80 0℃以上的基片温度 ,若能使该温度降到4 0 0℃以下 ,则对许多应用非常有利 ,如可以在玻璃基片上沉积碳纳米管场发射电极。目前 ,碳纳米管基纳电子器件的研制这一课题备受关注 ,如果能实现低温原位制备碳纳米管 ,则可能将纳电子器件与传统的微电子加工工艺结合并实现超大容量的超大规模集成电路。本文主要介绍近年来生长碳纳米管所采用的各种等离子体化学气相沉积技术 。

退火温度对等离子体增强化学气相沉积方法生长的ZnO薄膜质量的影响

研究ZnO薄膜质量与退火温度的关系 ,为了获得高质量的晶体薄膜 ,采用PECVD方法在硅 (1 0 0 )衬底上生长ZnO薄膜 ,生长温度为 1 2 0℃ ,然后分别在氧气环境下退火 (6 0 0℃～ 1 0 0 0℃ ) 1h。X射线衍射谱和原子力显微镜 (AFM)照片结果表明随着退火温度的升高 ,晶体择优取向明显 ,晶粒平均尺寸增大 ,到 90 0℃时 ,晶粒平均尺寸达到 38nm。光致发光谱的结果表明 ,随着退火温度的升高 ,发光峰的半高宽 (FWHM)逐渐地变窄 ,到 90 0℃时 ,达到 92meV ,晶体质量得到了明显提高。通过对变温光谱的拟合计算 ,得到激子束缚能为 5 9meV 。

大马士革工艺中等离子体损伤的天线扩散效应

等离子体技术的广泛应用给工艺可靠性带来了挑战,等离子体损伤的评估成为工艺可靠性评估的重要内容之一。针对大马士革工艺中的等离子体损伤问题,提出了天线扩散效应,确定了相应工艺的天线扩散系数,提高了工艺可靠性评估的准确性。根据不同介质层沉积对器件的影响,确定了等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是大马士革工艺中易造成等离子体损伤的薄弱环节之一。实验结果表明,同种工艺满足相同的天线扩散效应,此时工艺参数的改变不会影响天线扩散系数。对带有不同天线结构的PMOS器件进行可靠性分析,得知与密齿状天线相比,疏齿状天线对器件的损伤更严重,确定了结构面积和间距是影响PECVD工艺可靠性水平的关键参数。

第二十二讲 化学气相沉积(CVD)技术

(接2023年第2期88页)(5)扩大了化学气相沉积的应用范围,特别是提供了在不同的基片制备各种金属膜、非晶态无机物膜、有机聚合膜有可能性。PECVD的缺点如下:(1)PECVD反应是非选择性的。在等离子体中,电子能量分布的范围宽,除电子碰撞外,其离子的碰撞和放电时产生的射线作用也可产生新的粒子。从这一点上看,等离子体增强CVD的反应未必是选择性的,有可能存在几种化学反应,致使反应产物难以控制。有些反应机理也难以解释清楚。所以采用等离子体增强CVD难以获得纯净的物质。

PECVD法低温沉积多晶硅薄膜的研究

在玻璃衬底上采用常规的PECVD法在低温(≤400℃)条件下制得大颗粒(直径>100nm)、择优取向(220)明显的多晶硅薄膜。选用的反应气体为SiF4和H2混合气体。加入少量的SiH4后,沉积速率提高了近10倍。分析认为,在低温时促使多晶硅结构形成的反应基元应是SiFmHn(m+n≤3),而不可能是SiHn(n≤3)基团。

等离子体增强化学气相沉积法实现硅纳米线掺硼

用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)方法成功实现硅纳米线的掺B .选用Si片作衬底 ,硅烷 (SiH4 )作硅源 ,硼烷 (B2 H6 )作掺杂气体 ,Au作催化剂 ,生长温度 4 4 0℃ .基于气 液 固 (VLS)机制 ,探讨了掺B硅纳米线可能的生长机制 .PECVD法化学成分配比更灵活 ,更容易实现纳米线掺杂 ,进一步有望生长硅纳米线pn结 。

基于PECVD的TSV深孔绝缘层沉积工艺优化

研究了基于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法的硅通孔(TSV)中(孔径5μm,深宽比10∶1)二氧化硅(SiO2)薄膜的生长技术。分析了低频功率、腔室压力和分步沉积次数对TSV深孔SiO2膜层覆盖率的影响。实验结果表明,深孔内底部的膜层覆盖率最高,孔内拐角处的膜层覆盖率最低。在低频功率为300 W、腔室压力为1.6 Torr (1 Torr=133.3 Pa)、分步沉积8次时,孔内最薄处的拐角覆盖率由2.23%提高到了4.88%,有效提高了膜层的覆盖率。最后,对膜层的击穿电压、漏电流、表面应力和沉积速率进行了检测,结果表明在保证膜层电性能基础上,将深孔SiO2薄膜的沉积速率提高到了480.075 nm/min。

PECVD喷淋板上微通道结构对射流均匀性的影响性分析

喷淋板微通道结构对等离子体增强化学气相沉积镀膜工艺成膜均匀性具有重要影响,目前缺少对不同微通道差异性的研究。通过采用滑移边界修正的连续流计算方法,获得克努森数为0.009~0.01的微通道流动特性结果,计算结果与其他微通道试验与计算结果具有一致性。结果表明,等径型与收缩型微通道几何尺寸对均匀性影响较小,出口射流所形成的涡流会降低均匀性,扩张型微通道提高出口扩散性,其射流均匀性明显优于前两者。通过提出均匀性量化方法,研究等径型、收缩型和扩张型三种具有代表性的微通道结构,进一步完善了喷淋板及稀薄环境微通道研究的不足。

10m长管道内壁类金刚石薄膜沉积及性能

工业生产过程中管道内壁经常受到输送物质的腐蚀和磨损,对管道内壁进行涂层防护十分必要,而目前鲜有在大长径比管道内壁镀膜的报道,且缺乏对大长径比管道内壁膜层性能的研究。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在直径100 mm、长10 m管道内壁沉积类金刚石(DLC)薄膜,并研究管道内工作气体的等离子体放电辉光光谱、膜层表面亮度、水静态接触角、硬度、摩擦因数和拉曼光谱等。结果表明:管道内等离子体光谱显示管内等离子体中有Ar^(+)和乙炔分解成的C_(2)、H和CH;膜层表面的亮度L*最高达到37.4和色差ΔE^(*)最大1.9,膜层拉曼光谱结果表明靠近管道两端和中间位置膜层的I_(D)/I_(G)均匀,膜层水静态接触角显示靠近管道两端的膜层接触角略小;靠近管道两端膜层硬度相比中间位置的膜层硬度高,并且磨损测试中膜层均未出现破损剥落,膜层具有高的耐磨性。试验实现了在大长径比的管道内壁沉积耐磨损的DLC膜层,为长管道内壁均匀镀膜提供了理论支持和技术指导。

偏压加强MPCVD法Ir(100)/MgO(100)基片上金刚石异质外延形核

利用自行研制的可调谐圆柱谐振腔式微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）装置的结构优势,设计了电极可调节的偏压加强MPCVD装置。采用脉冲激光沉积（PLD）法制备了Ir（100）/MgO（100）基片。采用偏压加强MPCVD装置进行了金刚石异质外延形核的探索,在Ir（100）/MgO（100）基片上实现了金刚石异质外延形核。扫描电镜结果显示,[100]取向的金字塔状外延金刚石晶粒的形核密度达108~109cm-2。

栅网与偏压对CHF_3电子回旋共振放电等离子体特性的影响

研究了电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积系统中栅网的增加和栅网上施加 +6 0V和 - 6 0V偏压对CHF3放电等离子体特性的影响 .发现在低微波功率下栅网与偏压对等离子体中基团分布的影响较大 ,而高微波功率下的影响逐渐减小 .这是由于低微波功率下等离子体中电子温度较低 ,基团的分布同时受栅网鞘电场和电子碰撞分解的共同作用 ;而高微波功率下电子温度较高 ,栅网鞘电场的作用减弱 。

PECVD工艺参数对SiO_2薄膜光学性能的影响

为探索利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depo-sition,PECVD)技术制作光学薄膜的有效方法.以SiH4和N2O作为反应气体,通过采用M-2000UI型宽光谱变角度椭圆偏振仪对制作样片进行测试,分析了薄膜沉积过程中的不同的工艺参数对SiO2薄膜光学性能的影响.实验结果表明:在PECVD技术工作参数范围内,基底温度为350℃,射频功率为150 W,反应气压为100 Pa时,能够沉积消光系数小于10-5,沉积速率为(15±1)nm/min,折射率为(1.465±0.5)×10-4的SiO2薄膜.

FDLC薄膜的化学结构对光学性能的影响

研究氟化类金刚石(FDLC)薄膜化学结构对光学性能的影响,用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在玻璃基底上沉积氟化类金刚石(FDLC)薄膜,用俄歇能谱、傅里叶红外光谱(FT IR)、紫外-可见光分光光度计(UV-V IS)对薄膜进行分析。分析结果表明:沉积薄膜是典型的类金刚石结构,薄膜中氟主要以C-F2键存在;随着沉积温度的提高,C-F2含量先增后减;随着F含量的增加,FDLC薄膜的sp3含量减少,sp2含量增加;光学带隙与sp2键含量密切相关,sp2含量越大,薄膜的光学带隙越小。

大面积应用的RF-PECVD技术研究

本文探讨采用小电极与大面积基片相对移动的方法来制造大面积薄膜的可行性,提出了采用小电极等离子体源在大面积基片上移动工作的新方法,可用于沉积(或刻蚀)均匀大面积薄膜或根据需求设计的大面积上非均匀膜厚分布的薄膜,从原理上避免大电极带来的不均匀性。介绍了这种方法中由两个电极构成的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统。分析了当电极移动时,电极与真空室壁相对位置发生变化时对等离子体参数的影响。我们发现当两个射频电极之间的相位差为定值时,等离子体的分布随电极与真空室壁的距离(极地距)变化而变化。当极地距小于80mm时,随极地距的增加,等离子体的悬浮电位和基片的自偏压下降,离子密度变化不明显。当极地距大于80mm时,等离子体的分布呈稳定状态,各参数变化不明显。采用PECVD方法镀制了大面积薄膜厚度呈均匀分布和非均匀分布的两种薄膜,提供了膜厚呈线性渐变和抛物线变化的两种薄膜样片,显示了该方法的灵活性和可行性。

PECVD低温制备晶化硅薄膜及其机制浅析

采用SiCl4/H2 混合气源的等离子体化学气相沉积技术 ,在 30 0℃的玻璃衬底上低温制备出多晶硅薄膜 ,沉积速率大于 3 /s,晶化率达到 60 %.实验中发现氢稀释对膜的生长及晶化起重要的促进作用 ,薄膜晶化率随射频功率增大呈不断下降的趋势 .通过与SiH4/H2沉积结果的对比 ,从基团成份、基团尺寸以及表面反应过程几个方面 。

PECVD法制备纳米晶硅薄膜的研究进展

简要介绍了纳米晶硅薄膜的微结构表征方法,重点讨论了PECVD制备方法中工艺参数对薄膜结构的影响,并探讨了氢在薄膜形成和生长中的作用。通过优化氢稀释率、衬底温度、反应气压、激励功率和激发频率等工艺参数可提高纳米晶硅薄膜的晶化率并改善薄膜质量。结合喇曼光谱、X射线衍射谱、傅里叶红外光谱和高分辨透射电镜等表征方法可深入研究薄膜形成机理,对进一步探索薄膜光电特性有重要意义。分析了等离子体化学气相沉积(PECVD)制备方法中各工艺参数对薄膜质量和沉积速率的影响,指出其存在的问题,并探寻了今后的研究方向。

用于FET的PECVD SiN_x掺杂MoS_2的有效性与可控性

通过化学气相沉积(CVD)工艺成功生长出少层MoS_2薄膜,用Raman光谱仪对材料进行表征,验证了三层MoS_2材料的存在。基于CVD生长出的三层MoS_2薄膜材料完成了背栅场效应晶体管(FET)的制作工艺研发。对MoS_2FET器件进行了电学特性表征,研制的MoS_2FET器件的开关比可达到1.45×10~6,器件的电子载流子场效应迁移率约为1 cm^2·V^(-1)·s^(-1)。对等离子增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅(SiN_x)工艺掺杂MoS_2材料进行了研究,掺杂后器件的驱动电流提高了3倍多,验证了SiN_x掺杂MoS_2材料的有效性。通过控制PECVD SiN_x时间工艺参数对SiN_x薄膜厚度与掺杂浓度的关系进行了研究,随着SiN_x薄膜厚度增加器件的驱动电流逐渐增强,验证了SiN_x掺杂MoS_2材料的可控性。最后,对PECVD SiN_x工艺掺杂MoS_2材料的机理进行了讨论。

沉积温度对Ni辅助合成石墨烯质量的影响

研究了不同沉积温度下借助牺牲层Ni合成石墨烯的质量。在氧化铟锡(ITO)玻璃表面先后蒸镀了厚度分别为120 nm的Ta2O5和50 nm的图形化Ni,采用低温(500,600和700℃)下的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在Ni和绝缘层Ta2O5的界面处获得了大面积的图形化石墨烯薄膜。去除Ni后,将图形化的石墨烯保留在绝缘衬底上,采用原子力显微镜(AFM)和喇曼光谱对3种不同沉积温度下合成的石墨烯薄膜的表面形貌和质量进行了表征,研究了沉积温度对Ni辅助合成石墨烯表面形貌和导电性能的影响。结果表明,借助图形化牺牲层Ni能够在绝缘衬底Ta2O5上直接合成图形化的石墨烯,沉积温度对石墨烯的表面形貌和质量有很大影响,沉积温度在600℃时,制备的石墨烯具有较高的质量和良好的导电性能。