实验二等离子体增强化学气相沉积制备薄膜

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。

CVD 工艺（以硅烷气体(SiH 4)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(H 2)。通常采用低浓度的反应气体(H 2中含1％SiH 4)，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：

42SiH (g)Si(s)+2H (g)→

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：24

2

()SiH H

p SiH p p K T p =

而平衡常数遵循阿列尼乌斯函数：/0()G kT

p K T K e -∆=

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：

422

SiH SiH H H p p p P p =+++图1 简单的原型热CVD 反应器

Si/H 比则可根据入口气体流量f 获得：

4444224242SiH SiH SiH H SiH H H

f p Si

H f f p p p ==

+++ 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：

22SiH (g)

SiH (a) 表面反应必定按如下形式进行：

22SiH (a)

Si(s)+H (g)

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

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N 2O 到SiH 4，NH 3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sp 3杂化，有极高的硬度；石墨是sp 2杂化，包含一个键。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

图2基本的冷壁平行板PECVD 系统几

何结构

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sp

2

两种结合状态的碳原子，sp 2

碳使薄膜具有石墨的性质，而sp 3

碳又使得薄膜具有金刚

石的特性。如果sp 3

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sp 2

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sp 2和sp 3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sp 3，sp 2

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

42CH (g)C(DLC)+2H (g)

使甲烷(CH 4)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。

四、实验步骤

a) 开启真空腔； b)

安装玻璃衬底；

图4 本实验中所使用的PECVD 装置外观图