制备二氧化硅薄膜的质谱原位诊断及其特性研究
氧化硅薄膜具有良好的绝缘特性[ 1 ]、耐磨性[2 ]、较低的透湿透氧性[3 . 4 . 5 ]、耐化学性[3 ]以及良好的透光性[3 ],因而氧化硅薄膜广泛应用在微电子、抗腐蚀和高阻隔包装等各个领域。目前制备二氧化硅薄膜的方法很多,有热分解沉积法、溅射法、真空蒸发法、阳极氧化法、等离子体氧化法、热氧化法等[1~2 ]。采用等离子体技术制备氧化硅时,由于离子体中含有大量高能量的电子,它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程,生成活性很高的各种化学基团,因而显著降低薄膜沉积的温度范围,使得原来需要在高温下才能进行的过程得以在低温实现。另一方面,由于等离子体反应必然存在离子轰击现象。对等离子体功率的适当调配,可以通过控制离子对沉积薄膜的轰击来调整薄膜的内应力,使得薄膜沉积后的应力较其它沉积方式的低。
采用等离子体技术制氧化硅有物理蒸镀法和化学气相沉积两种方法[2]。物理蒸镀法技术较成熟,主要包括磁控溅射镀膜工艺、电子束蒸镀或者电阻加热蒸镀,此技术沉积速率较高,但镀膜不均匀,基材温度较高,不能在不耐高温的有机基材表面成膜;化学方法有溶胶 - 凝胶法(SOL- GEL 法),等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)。采用等离子体化学气相沉积法制备无机薄膜材料则可在相对低的温度下进行,同时对基体几乎没有损伤,工艺灵活,能实现微观尺度上的成分设计与控制。
在等离子体化学制备氧化硅时,所采用较为广泛的是六甲基二硅氧烷 (HMDSO)。它具有无毒、安全、饱和蒸气压高,聚合物氧化硅成分高等优点。HMDSO/O2混合气体沉积氧化硅是通过等离子体中产生的电子离子碰撞离解,生成活性的中间产物,如自由基。这些活性自由基通过进一步的反应,其中部分引起薄膜的生长、部分导致粉末的生成、生成物的刻蚀、或稳定的挥发性产物而被从反应腔体中抽走[6~7]。为了控制薄膜的质量和了解沉积机理,需要对这些活性中间体进行实时监测,本文就是利用四极杆质谱仪对氧化硅薄膜沉积过程进行实时在线检测,同时通过傅立叶变换红外光谱仪对所制备薄膜成份进行分析,并利用原子力显微镜对薄膜表面形貌进行了分析,研究氧化硅薄膜可能的生长机理。
1 实验
薄膜的制备是在平行板电容耦合等离子增强化学气相沉积系统(如图 1)进行的。上极板接电源,下极板与腔体相连并接地。单体 HMDSO 与由质量流量计控制的 Ar 及 O2,经导气管混合通过上极板下端均匀分布的针状气孔引入两极板之间。采用 40 kHz 中频脉冲电源在极板之间产生均匀的等离子体。典型的实验条件是本底 2.0 Pa,工作气压 20 Pa,单体与 O2的比例为 2:3,平均功率为 50 W,占空比为 50%,薄膜沉积时间为10 min。实验过程中采用四极杆残余气体分析质谱仪(Hiden Analysis RGA PSM 001)进行实时原位诊断。质谱仪通过法兰安装在立方体不锈钢真空腔侧面,探头伸入腔体 4 cm,距离等离子体电极中心 20 cm。质谱仪取样孔直径 100 μm,离子源使用的是双灯丝电子碰撞电离离子源,采用70 eV 能量的高能电取样气体进行电子碰撞电离。实验中采用三级差分分子泵使质谱仪本底真空 2×10-5Pa,工作气压不高于 1 ×10- 4Pa(低于质谱仪的工作气压要求,≤4×10- 4Pa)。氧化硅薄膜沉积完成后,采用傅立叶变换光谱仪(FTIR- 8400,日本岛津公司生产 ,扫描精度为4 cm- 1)对制备在 KBr 基片上的薄膜结构进行分析;而对制备在单晶硅(p- Si(100))上的薄膜进行表面形貌的原子力测量 (AFM 本原纳米仪器公司,CSPM4000,tapping mode)测量;薄膜的阻隔性能测试采用美国 Illinois 生产的 8001 透氧仪测量氧的透过性。
相关文章
- 2023-12-29面向大规模数值计算的并行网格生成
- 2023-08-11EF-500回声测深系统的设计及应用
- 2024-11-01F2等级砝码质量测量结果的不确定度评定
- 2022-06-29片上网络交换机制的研究
- 2024-10-14梁纯弯曲的大变形分析
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。