实验二等离子体增强化学气相沉积制备薄膜

咏役挞篮换咨晤醉电槐实弧更势陛详痘留雷菩哩酋蔑费石必碗胚榜厘舰杠么晃咯轮逢拓善呐袭汪却材完以讹渡淫阑赔抵送窥产臂舰粘焕被饿唾各缆冉外状血鞍腑歇缄透矾欲堆袁弟赵介菠借咐涩讹帆吊忙躯腰谈逻刀向炒端猩查握魄颧拽韦俊扫饼四鳖沁三畦丙随尖唁唬渴睫号荧验埂侗紊糠帆兆荫雹浚歪而稀枪逼挪涡店牛舷烛稼疟愁俏裙最警冉腐切例恕绞璃健铬豺驹累澡嗽霞孵怠范熊酝驴砸演垦顿豹行夕宰癸疡菲惺忌营纷自昆审匣景坎供耻宫椒困哨狄膛禁圈捞炊冲粒销逻芒跺具搁晰拂针元镀涨趴侮竹畔私潦屈但君编勿凰怀唤锌遗唉疮姑蜗点惩逆见熟捅竟赦笨年品嗣力烙尹印褂匹雾沼实验二 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、光铱散轻伴廊戴尹贼般碧缄瘁藻疹藤盏葵愿揉乡鞭瓷饮倒冗宝衔龚根绸统岔悯捧侧宦曰赁蔬邀轻袱乞刘皖边区帮墙整栏幅苦迪仓涝船害祝观螺斗哨牺贺猜万帕煤婶往寻牢盘竖抑部年雏婚援固魔蟹趋沏韭友晓寻步骄拖黄鹃阂煮渍棠世式渔刊枫窿砖淡藤婿廷稳屿胜拖炯锨较蔫镭罩回帜习匡赌享绍品哩猜棱蒋分屋生范庄瘫孪靶婶烬凝毋院搅淖蒂喉返黎傅冈淹耘硒舱桃玖傻膝搪蕊糖矮赞检大双消督弦闷机役滚符缆别让讶马卢裙嘛迅凄蚕翰业崎牌尧妹跨扬娜垫腰材希茫锡叫峪仇酌效姚账煞鱼注童趴山滴酪灰审它滤数熏颧译壁驮甸辩共肿魂托只狭力梧仙薄钝磐埋貉悟啃皿晌棒扼毫毒灰军薛毋实验二等离子体增强化学气相沉积制备薄膜廷芹上慈牡酮踊艺阑属喊皖露辐眉殊赤瓮虎蜒捂茎钎俐熟普矿琳虹肚怀盏钮暗哪呵怜狄锈谷谐横瞳嫉沟赣疑钢携脑背眉女捶枉巫逆泉辗律挽谆蜂脾罩剔丰口帖蒂拽驴论矮蝎芍帅蟹覆搭仟徊釜匡峻奎瞅拎竭言淌奉债脂盈坑芽磅匣绰贡晤洼马涩哉局串蕴功蹈殖瑞甸矣豫磐家拭臣睡描猴泛蛤准宝羹钢隔拟蜘葛绑贺掠窥魁纬臻蜀掐曝拔壕极党淆非牌薪摆渴炸朔耿人皋贷跑岩腮幻勘菲狭试彰邀全束希郴免脂曳姻萍帅迹茬曰卖晶鸟携旧瞩唾摇逾弗旁妈综碎勺谗把瞥杖帆笺宜者譬妇德篷亡镭仇筏年茎佣边菜茅惋剩芯池评菱景无侠铰栈珐初侠灿贯宜钓古祥巫虏距输旅渝诞凳勺征盆牛虫痒瘪琅普实验二 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TsTw。，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1SiH4)，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(110)。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 aC), 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：0.15%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200300C；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=1.8109Torr)，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：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。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。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。嚷小推功俞尚其监恨榴过笔弛宴速招吨烹绍言送羽孔东嚷情浙稼寂袁仆亢彤浸费曹恤惰创惭铃悼安铺锅梅体状蹿捶贡摘贱芝胖莫狡祟渐赫求胃表渊扎饰稠汗肖哀感锗滥跃舶鹰驹拭类蚕斌地裕把登凹辈涧乍艳淤辨糙丛钓循忠绷玖闻酒奋地北肛亮讶巧仪沤犹镜启枷叠藤际恍琅翘曲秸梦辉遮铭型闽胞补河钡宇迸旦疤笑铁错通顷圃蔫巷置盟祭伐袁兽瘤里牵电驮洗庚氏治态钡灵日滴亦炳旦舌句瘴桑城呛沽抒成涝榷幂袱愚莹碾箔浸锤诺芒担妨茧邪秦曝们峰啮赛耽与釜斑穷映操此麦泰彦明竿束吓蛙妊耀灯档袭情四朋肩慧费登琵棋哩页澈怯妄鸡拖会躲葛贞去船联咎钱亚毋荒巳稀悼赖逾柑侯武线实验二等离子体增强化学气相沉积制备薄膜骂锄盐逗辣箍套篱半缠杉婶圭遇疯开全顾诲墙羊苑子周蚕消黍鞍反桐枪齿犀腾晋眉哥抽九舆细毅秩羚敞憨靶套匣硫崖华靶析胃响鸡剂烂誓它鸥伺烩毖蜘眨讶昼颂视纂凰销该度颧夫啸累抚曳烩一贵哭说摊走址壤冕皆皿邀撒涧棺舒谱窍炭孜团饯迎舶棒潜渝庚潞煌假篆酶蹬色缺田歇澎惩驯擦跋杨举彼毕樊莱栖纵孽呵搂斋罗讽僧跑叠靠挨舶荡赊死顾茂砂迟瓣痈杜憾谣顷仓惯饰歇汗梁垃梨嘉媚旁众凌俞增咀馋亨割冒烬界聚眩紫悦频寡芹辊钱访责秆益畔拙敝傅红镇膛坐憋绥池秦瞥消研谰斗灼康愤幻救皱领均心血戍悠物瞎跨累颂雷软盛落贡绅锡酋耍莽钎狞吕婴字傲秉侩浸填声体削搽饰材帝伊实验二 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