用于气体传感的红外探测器材料与器件制备

要 近年来，基于微机电系统 (术的非致冷红外气体探测器成为传感领域的研究热点。它 在监测特定气体如可燃性气体和有毒气体等领域有着极大的发展潜力。非致冷红外气体探测器具有响应时间短、制备成本低、低功耗、与 艺兼容等特点。器件采用悬浮微桥结构具有良好的热绝缘效果，无需致冷的特点提高了系统的可靠性。 本论文选择二氧化钒 (氮化钛 (为红外气体探测器的热敏层材料和吸收层材料，对器件结构进行了研究与制备，主要内容包括以下几个方面： (1) 论文首先利用反应磁控溅射法制备 绍了制备的原理和工艺流程并且确定了能够满足非致冷红外气体探测器性 能要求的二氧化钒薄膜的工艺参数并介绍了 X 射线衍射 (原子力显微镜 ( 过傅立叶红外光谱仪 (试 合传输矩阵用光学拟合的方式计算出 (2) 通过反应磁控溅射法制备 膜， 改变氮气与氩气的比例来研究不同条件下制备的 膜的电学性能和光学性能的变化规律，并且通过测试得到的红外反射谱拟合计算出不同条件下制备的 介电常数及变化规律。 (3) 本论文接着设计了基于 成的三层膜系结构， 并且通过 件仿真了该膜系在红外波段的吸收特性，通过 实验制备将测试结果与仿真结果对比，得到了较好的一致性。 (4) 将 非致冷红外气体探测器的结构结合，设计了整套器件制备工艺流程， 确定了多孔硅牺牲层的工艺参数，利用光刻、刻蚀、镀膜与剥离等工艺成功制备出具 有悬浮微桥结构的红外气体探测器，利用扫描电子显微镜 (察了非致冷红外气体探测器的表面形貌。 关键词： 红外气体探测器 二氧化钒 氮化钛 多孔硅 光刻 n a in of It in as It of in In as of on (1) O2 is by of of is RD of (2) iN is by as of by by a to (3) iN is by in is in is of (4) iN is of of is by of is by 录 摘 要 . 绪论 术简介 .(1) 红外探测器简介 .(3) 本论文的研究意义和主要研究内容 .(7) 2 氧化钒薄膜的制备与性能测试 氧化钒薄膜的性质 .(9) 氧化钒薄膜的制备方法 .(11) .(13) .(19) .(25) 本章小结 .(29) 3 氮化钛薄膜的制备与分析 氮化钛的介绍 .(30) 氮化钛的制备 .(30) 氮化钛薄膜的电学常数和光学常数的测试 .(32) 多层膜系的设计与应用 .(38) 本章小结 .(42) 非致冷红外气体探测器的制备工艺 多孔硅牺牲层的制备 .(43) 氮化硅支撑层的制备 .(50) 制作金属电极 .(51) 制备氮化硅隔离层 .(53) 制备 .(57) 制备 层膜系 .(58) 释放多孔硅 .(59) 本章小结 .(62) 5 总结与展望 .(63) 致 谢 .(65) 参考文献 .(66) 11 绪论 随着微 /纳米科学与技术（ 发展，以形状尺寸微小或操作尺寸极小为特征的微机电系统（ 成为人们在微观领域认识和改造客 观世界的一项高新技术，并且是当前一个十分活跃的研究领域1。采用 术制作的材料、电子、微电子、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景2。 它具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境的特 点。在世界范围内，市场销量呈指数形式上升，成为新的经济增长点。在电磁辐射探 测领域，因为红外光有很宽的电磁波段（ 000m） ，能够提供客观世界的丰富信息 ，是一种非常重要的信息资源，将红外光的信息转换为可探测的信号一直是红外 领域研究的热点。通常把实现这种功能的器件叫做红外探测器。 本章主要就 发展现状、红外气体探测器技术和本论文所研究内容作一个概括的介绍。 术简介 术是指由微机械加工技术制备的包括微机械传 感器、微机械执行器以及微能源和由集成电路加工技术制作的高性能电 子集成线路组成的微机电器件或系统。总体来说，它是由关键尺寸在亚微米或亚毫米 级别内的电子和机械元件组成。它是将传感、处理、执行、电路、接口以及通信融为 一体的微型系统，以提供一种或多种特定功能。包括感知和控制外界信息（力、热、光、生、磁、化等）的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的电路34。 以下几个主要特点： (1) 系统微型化：微机电系统的器件体积小、质量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。 (2) 制造材料性能优良，主要采用硅来制备，硅材料的机械、电子性能优良，硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率与钨接近。 2(3) 批量生产成本低，采用类似集成电路（ 生产工艺和加工过程，采用硅微机械加工工可以在一片硅片上同时制造数百上千的微机电系统，大大降低制造成本。 (4) 的机械不限于狭义上的力学的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应，包括力、热、光、磁、乃至化学、生物等效应。 (5) 集成化程度高，在微机电系统中可以把不同功能、不同灵敏度和不同敏感方向的多个传感器和多个执行器集成，或形成阵列 型结构，甚至可以把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微机电系统。 目前 统工艺技术研究中有三大支撑技术：硅微机械加工技术、 特种超精密机械加工技术。硅微机械加工技术 是将传统的集成电路加工技术由二维的平面加工技术发展为三维的立体加工技术，主 要包括：体硅微机械加工技术，该技术包括硅的湿法腐蚀和干法刻蚀，它是直接在衬 底上加工结构，但所加工出来的结构往往受到晶向的限制；表面微机械加工是在衬底表面构建 件结构，能够通过添加牺牲层作出诸如悬空等很复杂的多层器件；键合技术，主要包括静电键合和热键合。另外还融合了进程电路工艺，如光刻、扩散、离子注入、外延和沉积等技术。 术是应用 X 射线进行曝光并辅以电铸成型的一种崭新的微机械加工方法。特种超精密微机械加工技术包括能束加工技术、电化学加 工技术、超声加工技术以及各种加工技术5。 由于 身有着显著的特点，因此具有广泛的应用前景。当前，多种重要的成功应用正显示出勃勃生机。 器件研究主要集中在传感器、光学 流体与生物 多个方面。目前可以预见的应用领域十分广泛，之中包括汽车、航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制及国防安全等。以 为传感器为例， 够制备成压力传感器、生物传感器、化学传感器、温度、磁场等传感器，这些器件与 成在一起形成灵巧传感器，朝着智能化、集成化、网络化方向发展。如 司于 1991 年推出的首款基于 术的完全集成的单片加速计图 1示2，产品化后大量用于汽车防撞气囊中。器件的核心部分质量块与平衡式电容器由多晶硅组成，用表面微加工技术制备。该器件工作量程达 50g，电源电压为 5V， 芯片尺寸为 3封装在 壳内， 售价仅为几美元。 在制备微执行器、信息微系统、生物微系统等 领域发挥着巨大的作用，它的出现无疑将对国民经济和国防工业各个部门的未来的发展产生深远作用。 图 1加速计示意图（ 1991 年， 司） 红外探测器简介 前面介绍了 术在传感器方面的应用，而对于红外光谱，它提供了客观世界丰富的信息，但是红外光谱是肉眼不能感知 的，必须将它转变为某种人为可探测的信息，而红外探测器正是完成这一转变的关键器件。利用 术制备高性能的红外探测器将器件尺寸和制备成本都大大地降低 。本节主要介绍红外探测器的种类以及非致冷红外气体探测器的应用。 红外探测器的分类 (1) 光子红外探测器 光子红外探测器是利用光电效应将红外光转换为可探测电信息的器件。当红外光入射至探测器表面时，光子直接与探测材料的 电子发生作用，引起电子状态的改变，从而引起材料电学性质的变化。最后将变化电 学性质转化为某种可探测的参量，就能实现对红外光的探测。 具体而言，光子红外探测器根据光电效应的不同又分为几种不同类型： 1) 光电导型探测器：即当红外光照射在探测器表面时，材料的电导率会发生明显的变化，叫做光电导效应，光电导型探测器正 式利用这个效应制成的。这种类型的探 4测器由于存在弛豫现象，所以它的响应速度比较慢。 2) 光伏型探测器 :光生伏特效应（简称光伏效应）是指光子入射到半导体的 上时，从 的两端产生可输出功率的电压伏特值。因为光子入射后， 端的电子和空穴因内建电场的作用而分离，电子和空 穴往相反的方向各自传输至二端电极来输出。光伏型探测器正是利用这一效应制成。 与光电导型探测器不同，光伏效应是一种少数载流子效应，少数载流子的寿命很短。所以它的响应速度比光电导型探测器快。比较适合作高速探测。 3) 光电子发射型探测器：光电子发射效应又称为外光电效应，当红外光入射到材料表面时，如果入射光子足够大，超过该材料 的电子逸出功时，就能从表面释放出电子，光电子发射型探测器具有速度快、可靠性 高、适应能力强等特点，但由于它需要在制冷条件下工作，所以它的制造成本一直很高。 (2) 热敏型红外探测器 与光电效应的红外探测器不同，热敏型红外探测器是利用红外辐射的热效应制备而成。热敏效应是指材料的某些性质随温度的 变化而变化的现象。当红外光入射到探测器表面时与材料的晶格相互作用，晶格由于 吸收了红外光的能量而使得振动增强，从而引起温度的上升，温度的上升又引起了材 料某些物理或化学性质的变化，并由外围检测系统探测。这些效应主要包括：热释电 效应、热敏电阻效应、隧道效应、液晶色变效应和塞贝克效应等。 由于热敏型探测器决定于入射光与材料晶格之间相互作用的能量。它是与入射光波长无关的，热效应一般只与入射光的功率相 关，热敏型红外探测器的响应速度比光电效应型探测器要慢，大概是毫秒级别。 比较常见的热敏型红外探测器有： 1) 热释电红外探测器：利用热释电效应制成，即当某些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，且重心 产生相对位移，晶体自发极化值就会发生变化。热释电探测器的结构较为复杂，需要斩波器才能正常地工作。 2) 温差热电堆红外探测器：它是利用塞贝克效应制成的，由塞贝克效应引起半导体两端的电势差的器件叫做热电偶，而由若干 个热电偶串联起来便形成热电堆，热电 5堆之间的电势差与温度的改变一直存在一个确定的关系。 3) 微测辐射热计红外探测器：它的响应元吸收了入射红外辐射后，使其温度发生变化，表现为材料的电阻率变化。热敏材料是 微测热辐射计探测器的关键材料，由它将入射的红外辐射信号转变为电信号， 其选择的关键参数是电阻温度系数 （ ， 敏材料典型的会采用非晶硅和 们在室温时有较高的 （能达到 ） 。微测热辐射计红外探测器由于热绝缘性、均匀性等好，因此相对其他类型热电探测器性能更好， 只是它有较大的偏置电流，但并没有形成较大的噪声影响6。 二氧化碳气体探测器的关键技术 在世界范围内，室内供热通风及空气调节 (已经占据了很大的能源消耗比例。为了保证在大型建筑尤其是封闭的室内有安全的空气等级，由于无法分辨出室内的人群量， 统通常是处于比真实环境所需要的过量的状态， 0%20%。 定量的测量空气质量的核心是对实时的 于 不易被传统的化学传感器所探测， 而通常借助于红外传感器来测量。 统的 包括了红外光源，红外探测以及红外滤波器，结果表明该器件在灵敏度、使用寿命以及漂移率等方面都表现出很好的性能。现今已用于室内来控制 统。 该 片上制成的， 并将集发射器与探测器于一体，发射器产生了一个窄带的红外发射光，这样避 免了对滤波器的使用。这是由于二维光子晶体的效应所致。当发射光在光路中由于透 镜作用反射回来时，探测器同样作为窄带的微测热辐射计传感器来对气体进行精确的测量。该传感器能够探测 当红外 光从气体中穿过时，某些波长的红外光会被气体所吸收，这是因为红外光释放出了某 种气体的分子键，导致了振动或者旋转运动。由于每种气体都有不同的化学键，就能被不同波长的红外光所激发。图 1一些在红外波段具有吸收效应的气体的吸收波长。图 1 6图 1种气体的红外吸收谱 图 1从图 1可知，发射器在气室内发出某个波长的窄带红外光，经过气室后通过透镜反射回到探测器上，探测器只接受某种气体的吸收波长（对于 收峰是 不接受其他气体的吸收波长，类似于滤波器的效果。当室内 测器能探测到所有，当二氧 化碳浓度升高时，探测器上的光强会显著的降低，探测器能将光强变化转化为电信号 。发射的该波段的红外光，在测量中必须知道气室内可能存在的其他气体，并且保证 这些气体不会对所测气体造成很大的影响。 图 1 个加热细丝被起热绝缘效果的桥状结构悬波长 (m) 光强( 7空架构起来，提供外部电接触，在硅片表面有 一层非常薄的金属图形，与黑体辐射不同，这种 2子晶体结构使得器件在加热时大部分的能量都转变为窄谱的红外光。波长为 过改变光子晶体的周期和尺寸可以改变发射光谱的波长范围。这种发射光的方向性极高，垂直从表 面发射然后通过红外光透明封装区域，进入到气体中，并且通过一面反射镜反射回探 测器表面。探测器选择性地吸收同样波长的红外光。加入气室内的 么探测器表面的温度就会发生变化。因为探测器材料的电阻会随着温度 的变化而变化，这种微测辐射热计探测器将 图 1 图 1图 1 产的 该器件封装好大小为5量只有 20g，灵敏度达 50应时间 850格仅仅需要 10 美元，满足了对市场的价格要求。 这个传感器的制备过程同样也成为了其它通用气体传感器技术的平台，得到了广泛的应用，例如 及火灾探测等， 能提供早期火灾报警， 感器由于具有高稳定性、高可靠性、高灵敏度以及尺寸和价格上的优势，已经愈来愈受到大家的关注，成为了当今红外探测研究的热点。 本论文的研究意义和主要研究内容 (1) 本课题的研究意义 随着信息化时代的到来， 红外光所能体现的信息价值越来越受到世界各界的关注，而对气体的红外探测研发是一个较为长期的过程，因为这涉及到多学科和领域的交叉， 8而对红外探测器的研究始终追求着集成度更高 、尺寸更小、功能更强、效率更高的目标。 红外探测器主要分为光子探测器和热敏探测器，而热敏探测器由于无需制冷，且可以实现微型化的特点，已经成为未来红外探测 器发展的主导方向，利用红外探测气体已经应用到各个领域，并且发挥着巨大的作用 。将来利用红外传感器对各种气体物质的探测必将在红外领域占据着重要的地位。 特点受到科学家的广泛关注，本课题正是利用 术相结合制备出高性能的红外探测器， 通过不断地改进探测器材料的性能，设计和制备探测器的工艺结构，试图探索出一套完整成熟的 件制造工艺。为今后改进优化氧化钒非致冷微测辐射热计红外探测器的性能提供了理论和实验基础。 (2) 本课题的主要研究内容 本课题主要研究内容可以分为以下几个部分： 1) 研究非致冷微测辐射热计的原理，并结合实验室现有的工艺条件，设计优化了制备气体探测器的工艺流程。 2) 氧化钒薄膜制备，研究工艺参数对材料电阻温度系数的影响，并通过 设备测试薄膜的成分和表面物相等性能。 测试 3) 通过 件对基于氮化钛和氧化钒材料的 层膜系结构进行仿真，对膜系在红外光谱的吸收特性进行了研究。 4) 氮化钛薄膜制备，研究不同工艺条件下制备的氮化钛薄膜的电学性能和光学性能的变化规律，并通过测试氮化钛材料薄膜的反射谱，利用 件计算出氮化钛的介电常数。 5) 利用 备 82 阵列的红外气体探测器，结合具体实验步骤，对制备过程中的关键工艺如牺牲层的制备、悬空桥状结 构、光刻图形、反应离子刻蚀等进行了介绍与讨论。 92 氧化钒薄膜的制备与性能测试 氧化钒薄膜的性质 由于钒是一种 3d 过渡金属元素，它在元素周期表中的位置为第四周期第五副族。它的原子结构电子分布为 1能与氧元素结合形成多种氧化物，钒在氧化为中存在的价态可以从 +2 价到 +5 价。因此，氧化钒物体系具有 2多达 13 种不同的相，并且不同的相多对应的晶体结构、光学、电学等性质有很大差异，而其中比较稳定的是 2 20 世纪 50 年代末， 贝尔实验室的科学家 现 半导体相变特性（ ，即热致相变特性。通过研究表明，环境温度的变化可以导致氧化钒薄膜的光学性质与电学性质的变化，如电阻 率、光学折射率、反射率和入射光的透过率等都会发生 23 个数量级的变化。尤其在红外波段这种现象尤为明显。 通过研究表明 8左右，最接近室温，所以也最受关注，钒的部分氧化物及其相变温度见表 2 表 2的氧化物与它们的相变温度 钒的氧化物 相变温度 ( ) 153 345862 阻率和入射光透过率都会迅速减小，其导电特性与金属相似；相反，当 阻率和入射光透过率则会迅速升高，与低掺杂半导体相似，而且 0的短，仅需要短至几纳秒 (几百纳秒的时间，这样就使得 电开 关、光电转换单元和光电探测器的相变功能材料。曾有人通过实验研究发现， 是相差 36，降温过程中的相变温度要低于升温过程中的相变温度。电阻率及透过率等特性随温度的变化曲线类似于滞回曲线，如图 2 图 2 固定频率的红外入射光） 。 氧化钒的相变与它的晶格结构有极大的关系7，在相变温度以下， 格常数为： a=c=而在相变温度以上时， 格常数为： a=b=c=90。 图 2图 2与具有相变性质的 )材料不同， )是钒许多亚稳态氧化物中的一种，它属于过渡性氧化物，由于它是一种亚稳态氧化 物，它的价态并不稳定，可以通过温度 11的加热使其完成从 )到相变型 )的转变过程，由于 )的层状结构和在纳米量级下的可靠的性质，越来越多的人投入到对 )的研究当中，而由于 )薄膜不具有相变特性，但是它的温度电阻系数（ 大，随着温度的升高而降低，典型值为 K，红外响应率高，噪声低，具有很好的红外敏感特性，非常适合作为非致冷微测辐射热计红外探测器的热吸收层8。本论文主要研究 )型的薄膜，本项目中的非分光红外气体探测器也采用 )作为热吸收层。 结合 艺将二氧化钒的的红外敏感特性集成到微芯片上来实现对气体的探测。 但是 常容易在一定的条件下转变为其他形式的氧化物，如转变为较低价态的 是较高价态的 使是非常高纯度的 110)、 (011)、 (101)、 (200)、(001)、 (210)等多种晶相共同存在，是一种多晶膜。 氧化钒薄膜的制备方法 由于各种氧化钒材料的价态都很接近，中间价态的 易转变成其它价态氧化钒，致使制备高纯度、理想化学配比的 着全世界范围内对 在制备 11： (1) 化学气相沉积法（ 它的主要过程是以不活泼气体为载体气体将被加热蒸发的金属有机化合物输送到真空室的衬底基片上，待衬底表面加热到适于金属 有机化合物的分解温度。这个温度经常在300 700范围内， 热解反应将在衬底表面上沉积一层含 对于 使用的原料是钒的醇盐，如 、 R)3、 V(和 ,载气一般为中性气体，如 长环境是低压。 在用 要在沉积过程中的参数控制得当，如沉积温度、流量和载气成分等，可以不经过退火而获得具有相变性质的 )型薄膜。这种方法设备较简单，操作十分方便，但由于钒的价态很多，氧化物形式也很多，单 该工艺制备薄膜较难获得结构单一的 该工艺所用的原料一般为不稳定的钒的醇盐或将酸盐溶液作为母体材料，这给实用性带来一定的困难。 12(2) 有机溶胶 溶胶凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作为基础，在液相下将这些原料均匀混合然后进行水解产生缩合化学反应最后在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶再经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米结构的薄膜材料。 由于所用的原料不同， 水溶液 溶胶 匀混合，再经过低温度加热处理，控制水解、缩 合化学反应等，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，经过较长时间的缓慢聚合，形成 三维网状结构的氧化钒凝胶。再将凝胶涂在基片上，经过干燥、固化、退火等最后制备出 (3) 磁控溅射法 磁控溅射原理如图 2示： 图 2控溅射装置系统原理示意图 磁控溅射法原理：由于在电子在电场的作用下加速飞向衬底的过程中与氩原子碰撞，然后电离出大量的氩离子以及电子，这种条件下会发生辉光放电的现象。这时能在腔内看到粉红色的辉光。然后电子在电场的作用下飞向衬底。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子 13体区域内，该区域内等离子体密度很高，等离子在真空腔内的运动轨迹被增强，提高了 加了成膜速率。二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞再出电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和高效利用电子的能量来提高成膜的效率。磁控溅射镀 底温度、衬底类型等条件的影响12。 (4) 脉冲激光沉积法 20世纪 80年代激光器的出现，使人们开始关注于物质原子跃迁发光的研究，而随着大功率激光器的诞生，激光脉冲沉积法也开始为人们所用。它的原理是：激光脉冲沉积（ ，也被称为脉冲激光烧蚀（ ，是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。具体到沉积 是将一束强度大、功率高的激光脉冲直接照射在钒靶上，在靶材上极小的局部位置会产生非常高的温度，这个部位的钒会在高温下被加热熔融，甚至被电离出来。钒离子在腔内经过一定的空间距离的过程中，会逐渐被腔体内的氧气所氧化而形成 本论文所设计的气体传感器结构是在 为在制备 以在镀膜之前，要对硅片进行一些必要的处理，主要包括硅片切片、表面清洗、镀氮化硅（ 个主要步骤。 硅片的预处理 (1) 晶圆的切割 由于在实验中所设计的气体探测器芯片的最小尺寸只 而一般买来的硅片的规格是 36英寸，这比探测器芯片要大很多，所以需要对硅片进行切割以方便实验，也可以节省成本。由于本实验对硅片的形状没有要求。只需要大于探测器芯片的面积，在器件工艺完成后会用切片机对探测器芯片进行切割处理，由于我们在 14前期为简化实验操作，只需要用金刚刀对硅片进行切割处理，并不苛刻要求切割的形状。 在切割硅片时，需要注意的是一般硅片都是有晶向的，例如实验中采用的硅片的是 P(100)型，这就不同于玻璃的切割，玻璃是没有晶向的，只要知道硅片的晶向，并且用金刚刀沿着硅片的晶向方向切割，就能切割出平整的边界。然后再根据尺寸要求，多次沿晶向切割出所需大小的硅片。 (2) 硅片的清洗 硅片在进行镀膜实验以前，都必须经过清洗，因为硅片表面会不可避免的存在粉尘颗粒、有机物与金属离子等杂质，甚至在硅片切割的时候，也会对硅片造成污染。这些杂质的存在都会对 洗硅片就是清除掉这些杂质，具体的步骤过程如下： 1) 取三个干净的烧杯，在烧杯中盛入适量的去离子水，再将烧杯放入超声机中进行超声清洗约 10 分钟，目的是将烧杯洗净，洗完后，将去离子水倒掉，烘干备用。 2) 将切割好的硅片放入洗净的烧杯中， 先后倒入双氧水 （ 和浓硫酸 （ ，比例为 1： 4 制成强酸 液，以浸没硅片为准，注意在倒入浓硫酸的过程中要沿烧杯侧壁缓慢倒入，避免硫酸飞溅出来。将烧杯放在加热板上进行加热 1 个小时，温度为 140，这样做的目的是清洗硅片表面的无机物 ,双氧水的作用是帮助硅氧化并消除颗粒。 3) 将硅片加热好后，再取一个干净的烧杯，将硅片放入这个烧杯中，倒入丙酮溶液，然后把烧杯放入超声清洗机中超声清洗 10 分钟。这样清洗的目的主要是清洗硅片表面的颗粒物和有机物杂质。 4) 将硅片从烧杯中取出，然后放入另一个干净的烧杯，并且倒入异丙醇溶液，放到超声清洗机中清洗 5 分钟。这么做的目的是清洗硅片表面的丙酮溶液。 5) 将硅片从烧杯中取出，用大量去离子水冲洗，然后用氮气枪吹干，并且在热板上加热烘干，最后放入培养皿中备用。 (3) 生长氮化硅层 在清洗完硅片后，需要在镀 膜，因为 15衬底硅片与要生长的 而 样，在硅片表面镀上 外这层 且氮化硅层还可以作为保护层来防止外界的机械损伤和水汽杂质等。 一般生长氮化硅的方法是化学气相沉积法（ ，常用的化学气相沉积法是等离子化学气相沉积（ 低压化学气相沉积（ 。实验中采用的是 等离子体中的分子、原子、离子或激活基团与周围环境相同，而它的非平衡电子则由于电子质量很小，其平均温度可以比其他的粒子高 12个数量级，因此在通常情况下，引入的等离子体使得反应腔体中的反应气体被活化，并吸附在衬底表面而进行化学反应，从而能在低温下制备出新的薄膜。比如说通常要 800以上才能制备的氮化硅薄膜，用 50 300的条件就能制备，而沉积反应中的副产物则被解吸出来并随主气流由真空泵抽出反应腔体。这是目前为止唯一能在低温条件下制备氮化硅的化学气相沉积工艺。 生成 个表达式表示能制备出氮化硅薄膜： 32 (232 (23 (2最后，在镀完 要用离子水，丙酮等进行清洗，因为在用 然会有一些杂质的污染，但是需要注意的是此时不能用超声清洗，因为这样容易破坏刚镀上去的氮化硅薄膜，影响实验结果。 反应直流磁控溅射制备 (1) 反应磁控溅射的基本原理： 上面已经介绍了磁控溅射就是利用电子在电场和磁场的双重作用下产生回旋前进的运动，这样能使电离碰撞的次数增加。结果使得轰击基片的高能电子少，而使得轰击靶材的高能离子多，使磁控溅射法制备薄膜具备了 “低温 ”、 “高速 ”的特点1315。 实验选用直径为 75度为 金属钒靶，工作气体为 氩气和 氧气，以生长 子在电场 的共同作用下，其运动方程为： dv m （） (2其中， 位为库仑； 位为 位为 V/m； 位为 T； 位为 m/s。电子在电场力和磁场洛仑兹力的共同作用下，当电场和磁场相互垂直时，运动轨迹是一个螺旋前进的轨迹。电子 作用下，加速飞向阳极，在运动过程中与氩原子碰撞。若电子的能量大到一定程度，则能够电离出一个 子和并释放二级电子 子在电场作用下加速飞向阴极钒靶，并且以高能量轰击钒靶表面，使靶材钒原子溅射出来。而溅射出来的钒原子与腔体内的氧气发生反应形成氧化钒沉积在基片表面。由于磁场的引入，电子在电场和磁场的共同作用下以摆线和螺旋线的复合形式在靶表面作圆周运动，这样就大大增加了电子在运动中反复撞击 使 而提高了反应磁控溅射的效率。 (2) 本实验中采用的磁控溅射镀膜机的型号是北京创世微纳科技制造有限公司生产的观图如图 2设备有两个真空腔体，左边为进样室， 而右边为反应室， 进样室的极限真空为 610反应溅射室的极限真空为 510 3个 75个