二氧化硅薄膜材料制备技术

• 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 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 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 度较快，且气体管道中易出现硅烷氧化，形成 白粉，因而沉积SiO2粉尘的污染在所难免。
二氧化硅薄膜的性质
• 二氧化硅薄膜(Si02)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。 SiO2薄膜的透明区为160nm～9um，其在200nm～ 4um波段为无吸收区。
• 折射率n=1.46(λ =550nm),n=10445(λ =1.6um)。 • Si02薄膜为无定型结构(非晶态)，淀积时基底温度不
• 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 的结构和性质有较大影响。
火焰水解法
(Flame Hydrolysis Deposition)
• 火焰水解法(FHD)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。
• 火焰水解法的原理为，在H2和O2的燃烧气 氛中，通过SiCl4的水解作用，生成的
二氧化硅薄膜材料的制备
二氧化硅(Si02)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。
通过对各种制备方法、制备工艺的开发和不同组分配 比对SiO2薄膜的影响研究，制备具有优良性能的透明SiO2 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 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 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 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 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。
• 利用高压水汽氧化在硅基上制备SiO2下包层时，膜 层的厚度可以得到极好的控制，但这种Baidu Nhomakorabea法生长速 度非常缓慢，生长厚SiO2膜所需时间很长。为了解 决以上问题，出现了一种制备超薄SiO2薄膜的新方 法——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 间的氧化过程，获得了牲能优良的超薄SiO2薄膜。 譬如硅烷低温氧化沉积SiO2薄膜，温度在400℃左右， 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SiO2，其化学反应式为：
• 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 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(氧、水 或其他含氧物质)在高温下进行反应而生长 出一层二氧化硅膜的方法。
• 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 氧化硅膜的方法。
溶胶凝胶法(Sol—Gel)
• 溶胶凝胶法是将各种添加剂与硅酸乙酯 TEOS[Si(OC2H5)4)]和溶剂(通常为乙醇)在一定条 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Si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， 溶胶逐渐固化为凝胶，经过干燥和烧结后，在 Si基底上形成SiO2膜。
光学透明度好，表面凹凸小，光学散射少； (3)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； (5)工艺重复性好。
• 方法：溶胶凝胶法(Sol—Gel)、火焰水解法 (FHD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、 高温热氧化(Thermal Oxidation)等多种制备方法。
• SiO2细微颗粒沉积在所基的表面上。经火 焰水解沉积后，将Si片送入高温炉中进行烧 结，这需要很高的温度，大约1100至1300 ℃ ，烧结后得到致密化的SiO2膜。
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(PECVD)利用辉光 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， 可在较低温度下实现SiO2薄膜的沉积。
• 典型的硅基二氧化硅薄膜制作的波导有四 层组成:Si基底(Substrate)，缓冲层(Buffer)， 芯层(Core)和覆层(Cladding)
• 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； (2)传输损耗小，通常应在1 dB／cm以下，换言之，
• 其他氧化法：真空蒸汽法，阴极反应溅射法， 阳极氧化法等。
• 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 应：
• 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 随有气相分子物的再放出。
热氧化法(Thermal Oxidation)
• 热氧化法是在高温条件下(900～1200 ℃)是硅片表面 发生氧化而形成SiO2膜的方法包括，干氧氧化、湿 氧氧化以及水汽氧化。
• 利用PECVD制备SiO2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 率等参数，控制SiO2膜的生长速率。将沉积后 的Si片进行退火，消除Si膜中H原子的影响，得 到高质量的SiO2膜。
• 采用PECVD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：
• 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， 形成离子和活性基团的混合物；
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0.9，基底温度为150 ℃时，填 充密度为为0.98。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。 ＆o’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。
二氧化硅薄膜常用的制备方法