等离子体增强原子层沉积技术-.研究

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1、等离子体增强原子层沉积的研究图1．4前躯体2冲至基片示意图前躯体1前躯体2基片前躯体1前躯体2基片图1．5第二冲洗过程后不意图原子层沉积的两个限定性特征[29】：自限制的原子逐层生长和高度保形镀膜。自限制生长模式：选择适当的条件，反应的每一步都是饱和的。比如，第1种反应前驱体饱和地吸附在表面上，形成一层致密的单原子层，惰性气体带走多余的反应前驱体；第2种反应前驱体通入时它只能与碰到的单原子层反应，生成所需的薄膜和气体副产物，反应完毕，薄膜生长停止。惰性气体又带走未反应完的第2种反应物和反应副产物。每

2、个周期生长的薄膜都是固定不变的，一层单层薄膜。对于A1203薄膜的沉积，反应过程如下：总反应方程式：2Al(cH3)3+3H20◆A1203+6cH4分步反应：(1)n-oH(s)十Al(cH3)3(g)◆(-O-)nAl(CH3)3．n(s)+nCH4(g)(2)(一o．)A1(cH3)3。(s)+3／2H20(曲—◆一A103／2(OH)n(s)+(3一n)CH4(g)两个分步反应分别代表了两种前躯体通至基片上时所发生的化学反应，(1)为TMA与基底发生的反应，(2)为H20通至基片时与已经附着

3、TMA的基片所发生的反应【30】。ALD法制备A1203的原理可以用图1．6表示：40等离子体增强原子层沉积的研究。，／姚7cH≈——A孓H，cH：7’CHd掣尸H彳叱等Hs甲Hc＼：／ci。鬻c等弋尸H?H甲H宁HAlO—AI图1．6A1203沉积原理不葸图图1．6简单明了的表明了A1203薄膜的沉积过程，首先步骤1所示，A1(CH3)3沉积到基片上，然后再进行步骤2的冲洗过程，将多余的A1(CH3)3粒子和反应的副产物洗净，步骤3将H20通入到附有Al(cH3)3基团的基片表面上，此时又会产生多

4、余的H20粒子和反应副产物，所以仍然要进行如步骤4所示的冲洗过程，洗净后得到入步骤4所示的镀层【3¨。这样就形成单一层的膜，成膜原理简单，易于操作，而且成分单一，每层均为A1203薄膜。原子层沉积技术的基础就是不断重复这种自限制反应沉积形成所需要的薄膜。ALD相对于温度敏感的cVD过程而言，沉积的温度区间要宽得多。温度过低的话前驱体会因为表面化学吸附和反应O势垒作用难以在基体材料表面充分吸附和反应，甚至出现反应物质的冷凝，可能导致严重影响膜层质量，降低反应速度，成膜也不均匀，肉眼观测会有彩虹状的薄膜

5、，如果温度低到一定程度，将得不到薄膜，仅有粉末状生成物附着在沉积腔体中：反之，温度过高反应前驱体或反应产物易分解或从表面脱附，也会影响沉积薄膜质量，降低反应速度。ALD的生长速率与沉积温度之间的关系【32．33】如图1．7所示：等离子体增强原子层沉积的研究1．0OT1T2Temperature图1．7原子层沉积反应的温度区间示意图如图1．7所示，ALD沉积过程有一定的温度区间为Tl至T2，虽然相对CVD这个适宜的温度区间比较宽。低温时的不完全沉积和高温时的沉积薄膜的裂解均是不完美的原子层沉积，而且在

6、温度较低时，ALD的应用还是受到了一定的限制，例如有很多热敏感的基底材料，如一些聚合物材料在高温时会发生质变，所以如果ALD技术在低温时能够应用，那么将使此技术的适用范围大大增加，而且从能耗方面来说，温度越低越适合工业需求，更加低能耗，有利于ALD技术产业化。本文也对ALD在低温时的应用进行了研究，实现了低温下的ALD沉积[341。1．2．3ALD特点以及与其他沉积方法的比较cVD的技术特剧35J在于：(1)高熔点材料能够在低温下合成；(2)析出物的形态有单晶、多晶、晶须、粉末、薄膜等多种；(3)不

7、仅能够在基片上进行涂层，并可以在粉体表面进行涂层，在低温下可以合成高熔点物质。与CVD工艺相比，PVD工艺处理温度低，在600℃以下时对硬质材料的抗弯强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密材料的涂层；利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源存储容器转移到基材表面上，PVD工艺对环境基本无不利影响。相比较而言，ALD既有自己的独特特点，又有其不可避免的弱点，但这所有的特点都是基于ALD的一个最重要的本质特点，同时也是ALD沉积的关键要素是它在沉积过程中具有自限制特性，能在非常宽的

8、工艺窗口中一个单层、一个单层地重复生长，所生长的薄膜没有针孔、均匀、且对薄膜图形的保形性极好，这些都是相比常见的CVD和PVD技术，ALD具有一定的技术优点，但是同时ALD也有沉积速率低等缺点，与CvD，PvD比较【36讲】如表1．1所示：6O等离子体增强原子层沉积的研究表1．1ALD与cvD，P、『D的特点比较表

9、ALDCVDPVD

10、膜厚范围<20mn>20砌>20mnl均匀可控度O．1111111m5姗l成膜质量化学成分很均一受外界限锘0

11、轻微孔隙杂质有较多孔隙杂