类金刚石薄膜的制备
其中,有两种方法:气相法和沉积法:
气相法是直接利用气体,或者通过各种手段将物质变成气体,使其在气体状态下发生物理变化或化学反应,最后在冷却过程中团聚长大形成纳米颗粒的方法。沉淀法可分为直接沉淀法、* *沉淀法和均相沉淀法,都是通过产生沉淀的液相反应来制备。
(1)物理气相沉积
物理气相沉积(Physical vapor deposition)简称PVD,其核心技术是指在一切处于真空的情况下,至少一种沉积元素被雾化(原子化)的气相沉积过程。该技术是一种对材料表面进行改性的技术。起初也是半导体工业、航空航天等特殊领域发展最成功的领域,80年代初作为一种新的表面强化涂层技术应用于机械工业。这项技术集中于切削工具的表面强化,以改善机械摩擦副的性能。其特点是可以在各种基底上沉积薄膜,改善薄膜基底之间的界面,沉积速率高。类金刚石碳的物理气相沉积一般采用高纯石墨作为碳源,甲烷气体也可以作为碳源。具体方法主要有离子束沉积、溅射沉积、真空阴极电弧沉积、脉冲激光沉积等。
在分类上,PVD(物理气相沉积)镀膜技术主要分为三大类,真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。与PVD技术的三大类相对应,有三种真空镀膜设备:真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机。
近十年来,真空离子镀技术发展最快,已成为最先进的表面处理方法之一。我们通常所说的PVD镀膜是指真空离子镀膜;PVD涂布机通常是指真空离子涂布机。
(2)化学气相沉积
化学气相沉积(CVD)是利用加热、等离子体激发或光辐射等各种能源,使气态或蒸气态的化学物质在反应器内的气相或气固界面发生化学反应,形成固体沉积物的技术。
英文单词chemical vapor deposition,原意为化学气相沉积,CVD),因为很多反应物质在正常情况下是液态或固态,汽化成蒸汽后再参与反应。化学气相沉积的古代原始形态可以追溯到古代人取暖或烧烤时,在洞壁或岩石上熏出的黑碳层。
作为现代CVD技术发展的初级阶段,主要集中在50年代工具涂层的应用。自20世纪60、70年代以来,由于半导体和集成电路技术的发展和生产,CVD技术得到了更加迅速和广泛的发展。
化学气相沉积(CVD)是现代半导体工业中最广泛使用的沉积多种材料的技术,包括多种绝缘材料、大多数金属材料和金属合金材料。理论上,化学气相沉积是指气态物质发生化学反应形成固态物质并沉积在基底上的化学过程。这种方法多用于制备含氢碳膜。其基本原理是在辉光放电或其他条件下产生的等离子体中将苯、甲烷、乙炔等碳氢化合物分解成ch离子,同时对基底施加负偏压。在负偏压的作用下,这些含有碳氢化合物的离子基团沉积在基底上形成碳膜。一个很好的例子是沉积的氮化硅膜(Si3N4),它是通过硅烷和氮的反应形成的。
研究人员发现,为了满足CVD技术的需要,原料、产物和反应类型的选择通常应满足以下要求:在室温或不太高的温度下,反应物最好是蒸气压高、易挥发成蒸汽的气态或液态或固态物质,且具有较高的纯度;沉积反应容易生成所需的物质沉积物,而其他副产物具有挥发性,留在气相中排放或容易分离;反应容易控制。
其实对于化学气相沉积来说,反应是很复杂的,有很多因素是必须考虑的。沉积参数变化很大:反应室中的压力、晶片的温度、气体的流速、气体穿过晶片的距离、气体的化学组成、一种气体与另一种气体的比例、反应中间产物的作用,以及是否需要反应室外的其它外部能源来加速或诱导期望的反应。额外的能量源,例如等离子体能量,当然会产生一整套新的变量,例如离子与中性气流的比率、离子能量和晶片上的RF偏压。
然后,考虑沉积薄膜中的变量,如整个晶片中的厚度均匀性和图案上的覆盖特性(后者是指跨越图案台阶的覆盖),薄膜的化学成分(化学成分和分布状态),晶体取向和缺陷密度等。当然,沉积速率也是一个重要的因素,因为它决定了化学气相沉积反应的产量,高沉积速率往往被认为是与薄膜高质量的妥协。反应产生的薄膜不仅会沉积在晶片上,还会沉积在反应室的其他部分上。清洗反应室的频率和彻底性也非常重要。
目前,农田升温是CVD反应沉积温度的一个发展方向。金属有机物化学气相沉积(MOCVD)是一种中温化学气相沉积技术,以金属有机物为沉积反应物,在较低温度下通过金属有机物的分解实现化学气相沉积。
近几年发展起来的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)也是一种很好的方法,最早用于半导体材料的加工,即利用硅在半导体材料的衬底上沉积SiO2 _ 2。PECVD将沉积温度从1000℃降低到600℃以下,最低只有300℃左右。除了半导体材料之外,等离子体增强化学气相沉积技术已成功应用于工具、模具等领域。