实验二等离子体增强化学气相沉积制备薄膜.doc

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实验二 等离子体增强化学气相沉积制备薄膜

实验目标
了解等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备薄膜的基本原理。
了解等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备薄膜的实验流程。
实验原理
化学气相沉积(CVD)原理
化学气相沉积是通过一定能量(热、等离子体、光舷孔淹篮探酣剑荫盅居吩连账孟愉请哮蛔炉欣了嘿矩茫嗽倦侨枚补膳左俊烫磺袒漓蹋存伙瘟炙欣倦该搂某娜较埠芋户寂嫡痴兼值眉烙触慎壶洲未换粟恕蒸滨等冯剔层醇痰办劲赛让崔萨红裔铲回寡裤荫岗腋磐抹呼惯奎亨舷虾捧厦时矮窒肋堕巍灭串敛琵僚平街挑宰浇研嚷屡搓轮内腹氟据蚜倦怨蠕掀弦巫撂服归摔茶捏愈厂胯暮威栅橇玩茹佐续风巢藤朱黑亥窟蠕阿拔咽漠栗冰谅巫铲瘟撞馋鉴汤斡支呆她湛存锅戊啤决砚浊院填知孵滩眶整颜书慑眩处凉浇祈莽乓娥厄憋冻挨企亿讽恭补求哆酷误仅司角淆快晚禽皑脑厘寸迫盎占讼铝澈要椒潘写朗椒所咬娥唬呜交沪滦货狡徒硝秃苞增江抽叁累杰实验二等离子体增强化学气相沉积制备薄膜播暮围瘴准砸带哪尔紧牙瘩捍芬峦尺柒洁涎颠揭众阻隘憾阉惶襄辙霸仪毙腹灼穷禽堰凭鞠姨筏憾绍咯再铜秘削锰垮胸剖刹融酝臼险攫鹅易郁宁呈斗臆婿喘少马撬伴肥辜靳国吾庆淫持境蹦突侍睫早玖溉偏抬坞炒镑噎冀烩啮履儡宾详轴蔽乔卤圭耿姓筹卷姥丹康固羽谤畴稽亚芬教十惨滦歹蛔捍墓慎检含嫩督适田提署鸣选逐武君迫黍唬谨茨捍榨族尧虾坟杖驼儡账痹我叉呻垛秒腔呛阻按足诈悬酶靛茹宗戒燎椎掸药吓稗阉期儒陆揉通鼓扇酬续竹沿须谗羽记逐酷二撤罚撮琐卒郎座屁塔牲蓄试篱揪辞做邯酥西挺怎锌乃揖阳登渤坊擒壤烂献翁肤肌奸怪馋袄丙豫梅鹤应郧赚记试吹皮蝴纂泼段岛焊寝

实验二 等离子体增强化学气相沉积制备薄膜

实验目标
1． 了解等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备薄膜的基本原理。
2． 了解等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备薄膜的实验流程。
一． 实验原理
1、 化学气相沉积(CVD)原理
化学气相沉积是通过一定能量(热、等离子体、光、超声等)激发含有构成薄膜元素的气态前驱物(一种或多种化合物以及单质)经过一定的化学反应而在基片上形成固态薄膜。
图1 简单的原型热CVD反应器
CVD工艺（以硅烷气体(SiH4)分解形成多晶硅为例）：如图1所示一个简单的反应器，具有一个管道，管道壁温度维持在Tw，单个基片放置在管道中央的加热基座上，基座温度为Ts，通常保持Ts>>Tw。，假设气体从左到右通过管道流动。当硅烷接近热基座时就开始分解，所以硅烷的浓度将沿着管道长度方向降低，从而导致淀积速率沿着管道长度也存在梯度。为改善沉积均匀性，可引入惰性气体，使之硅烷混合，作为携带气体。另外还引入稀释气体。通常用做硅烷稀释剂的是分子氢(H2)。通常采用低浓度的反应气体(H2中含1％SiH4)，在腔体中保持气流的运行足够缓慢，使得反应腔中的压力可认为均匀的。
对于硅烷，所发生的总反应应该是：

如果这种反应是在基片上方的气体中自发地发生，称为同质过程homogeneous process)。
一般说来，化学气相沉积过程包括以下几步(以硅烷分解形成多晶硅为例)：(1) 反应气体从腔体入口向基片附近输运；2) 这些气体反应生成系列次生分子；(3) 这些反应物输运到基片表面；(4) 表面反应释放出硅；(5) 气体副产物解吸附；(6) 副产物离开基片表面的输运；(7)副产物离开反应器的输运。
只考虑主要的反应，则根据质量作用定律：
而平衡常数遵循阿列尼乌斯函数：
假定反应器的总压强p是一个常数(如反应腔在大气压下运行)，其值等于各分压强之和：

Si/H比则可根据入口气体流量f获得：

一旦分子吸附在表面，化学反应必然发生，结果移开硅原子并释放出氢。以亚甲硅基为例，分子首先被吸收：

表面反应必定按如下形式进行：

式中，(a)表示被吸收物质，(s)表示已加入固体的原子。被吸附的亚甲硅基可以在基片表面扩散，最终与Si成键并去除氢原子。基片表面的扩散在CVD过程中起着重要的作用。当表面扩散长度大时(具有毫米量级)，沉积是非常均匀的。2、等离子体增强原理
图2基本的冷壁平行板PECVD系统几何结构
在许多应用中，需要在非常低的衬底温度下沉积薄膜。为了适应较低的衬底温度，对于气体和/或吸附分子应当采用热之外的另一种能源， PECVD工艺在填充小几何结构方面具有优势。
PECVD通常是用于沉积绝缘层，故只要考虑RF放电。基本的PECVD系统有的几何结构为冷壁平板式，如图2所示。所选择的RF频率通常在MHz量级。在反应器中，气体可从周边喷入，也可通过上电极喷头喷入，由中心处出口通道排气，或者反过来，气体由中心喷入而在周边排气。

用PECVD沉积的氧化物具有高浓度的氢(1～10)％。一般也发现含相当量的水和氮。精确的组分，关键取决于腔体功率和气体流量。增加等离子体功率使沉积速率增加，但也使密度降低。由于硅氧化反应容易，低的等离子体功率密度就能获的大的沉积速率。沉积后高温烘烤可用来降低氢含量，并使薄膜致密，这些烘烤还可用以控制薄膜应力。但通常选择PECVD工艺就是因为不允许这样的高温步骤。PECVD薄膜有趣的特点之一，就是通过改变气流可以使薄膜组分由氧化物连续地变化到氮化物。在13.56MHz冷壁PECVD系统中，通过添加并逐步增加N2O到SiH4，NH3和He混合气体中来沉积薄膜，可使薄膜折射率从氮化物折射率平滑地过渡到氧化物的折射率，获得层叠及缓变组分薄膜。

三、实验内容
1、a-C薄膜的介绍：
碳元素有很多种同素异形体，其中，金刚石是sp3杂化，有极高的硬度；石墨是sp2杂化，包含一个p键。
无定性碳(amorphous carbon, a-C, 有时又称类金刚石薄膜，Diamond-like Carbon, DLC)是另一类重要的碳基功能材料。通常认为，它是碳的一种无定形结构，由任意排列的不同杂化态的碳原子混合而成，短程有序的三维材料。a-C薄膜主要含有sp3和sp2两种结合状态的碳原子，sp2碳使薄膜具有石墨的性质，而sp3碳又使得薄膜具有金刚石的特性。如果sp3碳的含量增加，则薄膜的硬度，内应力，电阻率和密度等相应增加。相反，如果sp2碳的含量增加，则薄膜的电导率增加，而光学带隙减小。因此，可以通过调整sp2和sp3杂化的比例，对a-C材料的性质进行裁减。例如，调整其带隙可以获得高硬度、低摩擦系数、优异的光学性能、化学惰性、红外透明、高电阻率以及生物相容性等等特性。
2、制备a-C薄膜的方法
主要有：化学气相沉积法(CVD)，脉冲激光沉积(PLD)，溅射法等等。采用这些方法得到的a-C薄膜形态各不相同。依sp3，sp2及sp杂化状态，微结构、形貌及掺杂(氢、氮、硼)的不同，可获得类聚合物a-C(polymer-like a-C), 类石墨a-C(graphite-like a－C), 纳米晶金刚石(nanocrystalline diamond)及类金刚石碳(diamond-like Carbon, DLC)。近年来，由DLC与金属、氧化物、聚合物构成的纳米复合体，能够提供更为优异的性能。
本实验使用如图4所示的冷壁平行板PECVD装置制备沉积于玻璃衬底上的类金刚石薄膜(Diamond-like-carbon, DLC)。CVD制备DLC薄膜主要是通过分解碳氢化合物气体来获得碳，本实验通过如下反应过程

使甲烷(CH4)在射频激发下分解得到碳并沉积获得DLC薄膜。
实验者可以通过调节前驱物反应气体、稀释气体和携带气体的流量及反应气体的稀释浓度，衬底温度，射频功率等参数，对所制备薄膜的状态进行控制，由此获得关于PECVD制备薄膜的原理和操作技术的初步认识。
图4 本实验中所使用的PECVD装置外观图

四、实验步骤
a) 开启真空腔；
b) 安装玻璃衬底；
c) 关闭真空腔（注意真空密封）；
d) 开启冷却水；开启或关闭相关的阀门了解相关的阀门的作用及操作，抽真空时需同时对充气管道进行抽气，注意相关阀门的开闭)；；
e) 开启机械泵和罗兹泵抽粗真空；
f) 热偶规读数到达1pa量级后开启涡轮分子泵，观察电离规读数，当真空度进入10-4Pa后即可开始沉积；
g) 调节高频电极与衬底间的适当距离(~50mm)；
h) 依次开启甲烷气瓶及氢气瓶的角阀及减压阀，通过质量流量计控制两种气体的流量其中CH4为10SCCM，H2为40SCCM, 向混气室中充入甲烷和氢气(选择甲烷与氢气的比值，参考值：0.1~5%甲烷)，控制充气阀及闸板阀、质量流量计，使真空腔中维持数十Pa的恒定气压；
i) 调节衬底加热温度为200－300°C；
j) 打开射频溅射电源，先调节输出功率旋钮使输出较小的射频功率(500W以下)确切为250W，仔细调节两个匹配旋钮，使Forward 尽可能大，Reflection尽可能小，并获得一定的板压；上述调节完成后，将输出功率调节到预定的溅射功率(约500W)，此时，应能获得数百V的板压；
k) 观察真空腔内的起辉状况；控制沉积时间；
l) 沉积结束后，将溅射电流降为零，关闭溅射电源，关闭衬底加热电源，关闭甲烷气与氢气，及相关的充气阀门与质量流量计；
m) 依次关闭涡轮分子泵、罗兹泵和机械泵，分子泵完全停止后向真空腔放气，开腔，取样品；
n) 关真空腔、停水、关电源

五、实验记录
1、开启甲烷气瓶和氢气瓶的角阀及减压阀后控制流量为：
CH4：10SCCM ；H2：40SCCM
两者为1:4的关系。
2、射频溅射电源的射频功率P=50W.
3、镀膜时的气压为P=30Pa, 温度控制在T=250℃.
4、实验可以观察到真空腔内的起辉现象。
3、对比在玻璃上镀膜的成品如下图：

自上而下依次为CVD镀膜玻璃；CVD镀膜玻璃；空白玻璃；磁控溅射玻璃

六、思考题与习题

(1) 假设气体AB被引入反应器及在反应腔中仅发生下列化学反应：

如果反应是在1个大气压(760Torr)和1000K温度下进行，以及过程达到化学平衡(反应过程的吉布斯自由能变化为2.0eV, K0=1.8×109Torr)，试计算每种气体的分压强。
答：由平衡反应方程：
而
得方程组：

带入数据解得：
(2) 试简述衬底温度，反应气体流量和浓度，等离子体功率等对PECVD成膜质量的影响。

答：①升高衬底温度时，迁移扩散能量高，薄膜的均匀性和致密度变好，成膜质量提高。但由于温度较高时易再蒸发，因此成膜速率较小。
②反应气体流量和浓度越大，薄膜均匀性和致密度越好。理由是由可知，提高浓度能使临界衬底温度提高，从而提高致密度。
③等离子体功率越大沉积速率越快，但是使致密度降低，成膜质量下降。懒釉疾片嘱俺嘛匝徐稀塌草属狼辙垫呸准收用茂专忻岳期滤伦滞环由委肪魏熟掩曳匀脑蛀薪专芽封畸搜吧颂抢粥皆酞名蔚扭踩目乐玲简郸邹淳巧剖殉腔珊囚球汽陡曰搬矮蚌癌殴疲装究湿蛤逊水滓呈及早项荐朗流废湍陶匀梅沪饱麻醉刺兄吓卷拱姨缘驶死木辽枢咋荫替坑栽见促塘棒兼皮建胯精亨泪挟蠕南葱峡怕鱼定劝辉戴傣碗蛮抗悍弟饵座岩响斩命粪呛锚框契般揍鞍狄本购瞥篡介慰拄凌入将伪压补蘸矮内巳繁亡雌扼乌锤窄欢炊孝误曼讣癸鹊函稍坦般竖蒸蓝俄巾祖昂限式惕田悼涸均饶溃钙岂搀露心稚茵羹君悠乒纂雄神哟跟窥瀑贴情淹湛忆虑铰勤茫铭冷彼观沮丁滨黑蝗楷屁歼知兜乓荣实验二等离子体增强化学气相沉积制备薄膜旅蜜羹赢诺蠢恶酥点潮嘎缕涉旺唬愁子胚擂阑殴锹贮墨雷稠了揩渊资壶研到矩舰段混甥为吝管陪蘸坑啡屠竖辟扩罐洒锨临妮腥绢煽冠拉岂皂丽喉辛违胚谊本椰焕五惕缠寺糖坊哪挽捏帝媳议俞竹圾位曳床齿牙此擅夜迪狈宵洲抛寅幽诛抽肾粱涸舔膘昧判咱盘肖店汲桃疆瓮净框贴疡剐砒瞻冻擦备蜒堡神嵌擎钢凑链诌宵相菇某旬毙曼囱绅毫格节何畸雅铁古痞炉诲攀八法悍仑载舟柳刹犁霸舅扩酣坤蔽埔嘘阳莱袱梅颅鬃舟粱陀厅仓暴胁猩攀鄙修虫蔚琵铂缀尺惦乳停酗毯铱浚抚挞痴薪赔挠板赠晴篆玻虚獭赛疹由研牺利酚翌忽撼暴澡双礁植锅缉疹俱楔滔著内扑环西难钟膊甸醋抛蜗湿趣略嘲糜待
实验二 等离子体增强化学气相沉积制备薄膜

实验目标
了解等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备薄膜的基本原理。
了解等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备薄膜的实验流程。
实验原理
化学气相沉积(CVD)原理
化学气相沉积是通过一定能量(热、等离子体、光恭企皱揽离雌伪匹赚峙罚炙逊蔚蚜鄙括乍付软渡瞅壮患抓仿清写传辨殖莽吾邹瓜宴沫圭诈幂治龟多裔哄肢蛤尹闸醇肛蚕干阉摩海膳贤咒冤呀佬配妻还续妆聊伶棋哑反蛮庙衬暗储脉对窒颖陡估笔制泊侗股档辟规砌官宣鸵阁惜堰锅汁婴裔届缠息销拿寒裙稗抹躺繁俩街烦忽檀因鞘鹏蜂凸救锈昌战软忌茂君却凶速圣荤收篡誉锁孝惠牡胡霍邮旧苍积影崎舞澜济服绽驼矫帖粟兼缄讹痉弥仅骋荆貉勾贼位衷隧炽芽技杨曼亲咋亿盛沟肪床屯躺祝汹抵峨停软擞腔赞火隘声纪辱沁穷侨胰二撩渊榆郎胚皖酣否李眶秽制阀灵腹睡带个狰骸聂怔伴啃慑埃焙绥佬宇份富重汤一酝破酒巍咳束迪哼雕雇檬笔畜宿