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低温成膜,温度对基片影响小,可制备厚膜,膜层成分均匀;等离子体对基片有清洗作用;该设备主要应用等离子体化学气相沉积技术,用来制作SiO2、SiN4、非品Si等介电、半导体及金属膜。
直径450*H400mm,真空极限优于6.7*10-5Pa,频率13.56MHz.低温成,温度对基片影响小,可制备厚膜,膜层成分均匀,等离子体对基片有清洗作用。
等离子体聚合物在结构上与普通的聚合物显著不同,它能形成含有活性基团的高度交联的网络结构,从而具有良好的均匀性及对基质的附着性[1,2].有关采用等离子体聚合膜的TSM传感器的报道不多[3,4],本室已...
等离子体又叫做“电浆”,是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质 在人工生成等离子体的方法中,气体放电法比加热的办法更加简便高效,如荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕放电...
低温等离子体:适合的应用材料的表面清洗活化焊接,油漆,打印,密封,起泡,涂覆及硅化前表面活化处理。气体裂解和高效灭菌加速化学反应产品特点:突破低气压限制,可在大气压下引发等离子体;可对材料连续在线处理...
一种连续处理纤维材料的常压等离子体设备
常压下用等离子体来处理材料,使其表面能增强,对材料进行消毒、清洁等比真空等离子体技术有优势,为研究应用该技术,在实验室中开发了一套在常压下用空气做原料连续处理材料的等离体子体设备。试制了几种不同的电极结构,以使其产生均匀的等离子体,最后确定采用旋转轮做接地电极,铜平板做高压高频电极,耐热玻璃做绝缘介质的等离子体产生结构。试验了几种不同的绝缘材料做阻挡介质后综合考虑采用耐热玻璃做阻挡介质,并比较了产生的等离子体以及对材料的处理结果,证实经过等离子体处理之后材料的表面能大大增强。
薄膜材料。
(1) 极限真空为3×10-4 Pa;在真空室下方设一个气体截流阀,截流阀连续可调,控制反应室的工作气压。衬底可升降200mm,衬底旋转,转速为30~60转/分;基片加热为700±1℃; (2) 喷淋头分为三层结构,上部水冷,喷口处要求绝缘;Zn源管可拆卸,便于清洗, Zn源管与O源孔位的加工,必须使布气均匀;四周有石英罩,距样品台边缘距离20-30mm,电离电极侧进口。
化学气相沉积是制备各种薄膜材料的一种重要和普遍使用的技术,利用这一技术可以在各种基片上制备元素及化合物薄膜。化学气相沉积相对于其他薄膜沉积技术具有许多优点:它可以准确地控制薄膜的组分及掺杂水平使其组分具有理想化学配比;可在复杂形状的基片上沉积成膜;由于许多反应可以在大气压下进行,系统不需要昂贵的真空设备;化学气相沉积的高沉积温度会大幅度改善晶体的结晶完整性;可以利用某些材料在熔点或蒸发时分解的特点而得到其他方法无法得到的材料;沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进行。
化学气相沉积的明显缺点是化学反应需要高温;反应气体会与基片或设备发生化学反应;在化学气相沉积中所使用的设备可能较为复杂,且有许多变量需要控制。
化学气相沉积有较为广泛的应用,例如利用化学气相沉积,在切削工具上获得的TiN或SiC涂层,通过提高抗磨性可大幅度提高刀具的使用寿命;在大尺寸基片上,应用化学气相沉积非晶硅可使太阳能电池的制备成本降低;化学气相沉积获得的TiN可以成为黄金的替代品从而使装饰宝石的成本降低。而化学气相沉积的主要应用则是在半导体集成技术中的应用,例如:在硅片上的硅外延沉积以及用于集成电路中的介电膜如氧化硅、氮化硅的沉积等。
在化学气相沉积中,气体与气体在包含基片的真空室中相混合。在适当的温度下,气体发生化学反应将反应物沉积在基片表面,最终形成固态膜。在所有化学气相沉积过程中所发生的化学反应是非常重要的。在薄膜沉积过程中可控制的变量有气体流量、气体组分、沉积温度、气压、真空室几何构型等。因此,用于制备薄膜的化学气相沉积涉及三个基本过程:反应物的输运过程,化学反应过程,去除反应副产品过程。广义上讲,化学气相沉积反应器的设计可分成常压式和低压式,热壁式和冷壁式。常压式反应器运行的缺点是需要大流量携载气体、大尺寸设备,膜被污染的程度高;而低压化学气相沉积系统可以除去携载气体并在低压下只使用少量反应气体,此时,气体从一端注入,在另一端用真空泵排出。因此,低压式反应器已得到广泛应用和发展。在热壁式反应器中,整个反应器需要达到发生化学反应所需的温度,基片处于由均匀加热炉所产生的等温环境下;而在冷壁式反应器中,只有基片需要达到化学反应所需的温度,换句话说,加热区只局限于基片或基片架。
下面是在化学气相沉积过程中所经常遇到的一些典型的化学反应。
1.分解反应
早期制备Si膜的方法是在一定的温度下使硅烷SiH4分解,这一化学反应为:
SiH4(g) ——→Si(s) 2H2(g)
许多其他化合物气体也不是很稳定,因而利用其分解反应可以获得金属薄膜:
Ni(CO)4(g)——→Ni(s) 4CO(g)
Til2(g)——→Ti(s) 2I(g)
2.还原反应
一个最典型的例子是H还原卤化物如SICl4获得Si膜:
SiCl4(g) 2H2(g)——→Si(s) 4HCl(g)
其他例子涉及钨和硼的卤化物:
WCl6(g) 3H2(g)——→W(s) 6HCl(g)
WF6(g) 3H2(g)——→W(s) 6HF(g)
2BCl3(g) 3H2(g)——→2B(g) 6HCI(g)
氯化物是更常用的卤化物,这是因为氯化物具有较大的挥发性且容易通过部分分馏而钝化。氢的还原反应对于制备像Al、Ti等金属是不适合的,这是因为这些元素的卤化物较稳定。
3.氧化反应
SiO2通常由SiH4的氧化制得,其发生的氧化反应为:
SiH4(g) O2(g)——→SiO2(s) 2H2(g)反应可以在450℃较低的温度下进行。
常压下的化学气相反应沉积的优点在于它对设备的要求较为简单,且相对于低压化学气相反应沉积系统,它的价格较为便宜。但在常压下反应时,气相成核数将由于使用的稀释惰性气体而减少。
SiCl4和GeCl4的直接氧化需要高温:
SiCl4(g) O2(g)——→SiOz(s) 2Cl2(g)
GeCl4(g) O2(g)——→GeO2(s) 2Cl2(g)
由氯化物的水解反应可氧化沉积Al:
Al2Cl6(g) 2CO2(g) 3H2(g)——→Al2O3(s) 6HCl(g) 3CO(g)
4.氮化反应和碳化反应
氮化硅和氮化硼是化学气相沉积制备氮化物的两个重要例子:
3SiH4(g) 4NH3(g)——→Si3N4(s) 12H2(g)
下列反应可获得高沉积率:
3SiH2Cl2(g) 4NH3(g)——→Si3N4(s) 6HCI(g) 6H2(g)
BCl3(g) NH3(g)——→BN(s) 3HCl(g)
化学气相沉积方法得到的膜的性质取决于气体的种类和沉积条件(如温度等)。例如,在一定的温度下,氮化硅更易形成非晶膜。在碳氢气体存在情况下,使用氯化还原化学气相沉积方法可以制得TiC:
TiCl4(g) CH4(g)——→TiC(s) 4HCl(g)
CH3SiCl3的热分解可产生碳化硅涂层:
CH3SiCl3(g)——→SiC(s) 3HCl(g)
5.化合反应
由有机金属化合物可以沉积得到Ⅲ~V族化合物:
Ga(CH3)3(g) AsH3(g)——→GaAs(s) 3CH4(g)
如果系统中有温差,当源材料在温度T1时与输运气体反应形成易挥发物时就会发生化学输运反应。当沿着温度梯度输运时,挥发材料在温度T2(T1>T2)时会发生可逆反应,在反应器的另一端出现源材料:
6GaAs(g) 6HCI(g)↔As4(g) As2(g)) 6GaCI(g) 3H2(g)(T1正反应,T2逆反应)
在逆反应以后,所获材料处于高纯态。
下表给出了化学气相沉积制备薄膜时所使用的化学气体以及沉积条件。
膜 |
反应气体 |
沉积温度/℃ |
基底 |
ZnO |
(C2H5)2Zn和O2 |
200~500 |
玻璃 |
Ge |
GeH4 |
500~900 |
Si |
SnO2 |
SnCl2和O2 |
350~500 |
玻璃 |
Nb/Ge |
NbCl5和GeCl4 |
800和900 |
氧化铝 |
BN |
BCl3和NH3 |
600~1000 |
SiO2和蓝宝石 |
TiB2 |
H2,Ar,TiCl4和B2H5 |
600~900 |
石墨 |
BN |
BCl3和NH3 |
250~700 |
Cu |
a-Si :H |
Si2H4 |
380~475 |
Si |
CdTe |
CdTe和HCl |
550~650 |
CdTe(110) |
Si |
SiH4 |
570~640 |
Si(001) |
W |
WF6,Si和H2 |
300 |
热氧化Si片 |
Si3N4 |
SiH2Cl2::NH3=1:3 |
800 |
n型Si(111) |
B |
B10H14 |
600~1200 350~700 |
Al2O3和Si Ta片 |
Si |
SiH4 |
775 |
Si片 |
TiSn2 |
SiH4和TiCl4 |
650~700 |
Si片 |
W |
WF6和Si |
400 |
多晶Si |