薄膜沉積的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

摘要

本文的目的是建立科技鎖的技術(shù)水平，必須打開科技鎖才能將直接大氣壓等離子體增強化學氣相沉積(AP-PECVD)視為工業(yè)應(yīng)用的可行選擇。總結(jié)了理解和優(yōu)化等離子體化學氣相沉積工藝的基本科學原理?；仡櫫藢嶒炇曳磻?yīng)器配置。給出了根據(jù)所需薄膜特性設(shè)計和使用等離子體化學氣相沉積反應(yīng)器的參考點。最后，討論了避免粉末形成和提高薄膜生長速率的解決方案。

介紹

在過去的二十年里，非平衡（“冷”）大氣壓力等離子體增強化學氣相沉積(AP-PECVD)被吹捧為一種很有前途的替代方法，可以取代一些用于薄膜沉積的低壓(LP)等離子體過程。這種方法的主要動機和期望主要是為了允許連續(xù)的處理和允許更容易的處理，以及通過避免需要昂貴的傳統(tǒng)低壓等離子體裝置的泵送系統(tǒng)來降低設(shè)備成本，并使用的開放系統(tǒng)。大氣壓操作為PECVD技術(shù)的優(yōu)勢增加了使用易于處理的設(shè)備的可能性，眾所周知，這是一種易于實現(xiàn)以薄膜形式存在的材料的解決方案，具有微調(diào)的性能（化學、形貌等）。

放電機制和高能物質(zhì)

本節(jié)描述了允許在大表面上沉積均勻涂層的放電狀態(tài)。介紹了能量從等離子體向高能物質(zhì)轉(zhuǎn)化的方式，指出了對電子、亞穩(wěn)態(tài)、光子、離子和氣體加熱的影響。在等離子體增強化學氣相沉積工藝中，薄膜前體通常在主氣體中稀釋，這種稀釋氣體(氦、氬、在少數(shù)情況下還有空氣)對于限制反應(yīng)物質(zhì)之間的碰撞，從而限制粉末形成是必要的。前體的稀釋度很高，從幾ppm到百分之幾不等。稀釋氣體和反應(yīng)添加劑的作用(例如薄膜前驅(qū)體)在放電狀態(tài)下。與直接等離子體化學氣相沉積一樣，基底位于放電區(qū)內(nèi)，也討論了基底對放電行為的影響。

化學和前體沉積

通過大氣壓冷等離子體的薄膜沉積是通過添加前體氣體或蒸汽以供給混合物來實現(xiàn)的，或者通過注入液體前體來實現(xiàn)的，如在氣溶膠輔助等離子體沉積(AAPD)中，即大氣等離子體液體沉積(APLD)技術(shù)，其中液體前體作為精細分散的氣溶膠被引入放電中。

氣溶膠通常由氣動和超聲波霧化器產(chǎn)生；雖然第一種方法基于文丘里效應(yīng)，并且需要霧化氣體作為例如排放進料混合物的稀釋氣體，但是第二種技術(shù)允許引入到超聲波噴嘴中的液體的直接霧化，該超聲波噴嘴可以集成在排放單元中或者位于外部排放區(qū)域。

盡管高壓和擴散減少，但為了理解等離子體化學氣相沉積過程，不僅要考慮氣相反應(yīng)。事實上，幾項研究表明，氣體分解在DBD相當?shù)停瑲怏w表面反應(yīng)經(jīng)常在聚合過程中起主要作用。由于基本能級中物質(zhì)的密度相對較高，涉及稀釋氣體甚至基本能級中的前體分子的反應(yīng)迅速發(fā)生。另一方面，當密度相同時，由初始氣體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的涉及兩種活性物質(zhì)的反應(yīng)比在低壓等離子體中具有同樣低的概率。

等離子體化學氣相沉積反應(yīng)器

氣體注入和電極

襯底和襯底支架

不同類型的電源

露天或封閉式反應(yīng)器

等離子體診斷和原位薄膜表征

總結(jié)

本文提出了一種最先進的不同等離子體、反應(yīng)器和工藝溶液，通過直接AP-PECVD得到均勻的致密涂層。已經(jīng)確定了五種不同的放電模式：FDBD、TDBD、GDBD、GLDBD和RFGD。乍一看，最適合PECVD應(yīng)用的薄膜取決于薄膜密度（FDBD可接受或不接受），最大薄膜成本，主要由稀釋氣體（氮或空氣TDBD、GLDBD或高貴氣體GDBD、RFGD）、基底導(dǎo)電率(RFGD優(yōu)選或不)和熱塑性（FDBD、RFGD可接受或不接受）決定。另一個需要考慮的標準是，放電模式和稀釋氣體不僅影響放電的物理性質(zhì)，而且還影響其化學性質(zhì)。稀釋氣體作為一種反應(yīng)性氣體或催化劑。無論放電模式是什么，在設(shè)計等離子體反應(yīng)器時的第二個關(guān)鍵點是應(yīng)仔細考慮的氣體流動噴射，以提高薄膜的生長速率和均勻性?；孜灰疲ǜ采w大表面的溶液）也必須考慮。如果找到了無粉末的均勻致密涂層的溶液，生長速率仍然穩(wěn)定；理想的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)仍然不清楚。因此，如果我們在科學出版物中系統(tǒng)地提供更多信息，如放電狀態(tài)、功率/cm3和/cm2、氣體停留時間、薄膜前驅(qū)體濃度、薄膜均勻性、無粉，以及注入氣體、電極配置、電源以及設(shè)置和工藝參數(shù)影響薄膜質(zhì)量或生長速率的詳細信息，將是非常有成效的。AP操作不僅適用于在線工藝，也適用于引入液滴、納米管、等離子體生物，為PECVD應(yīng)用開辟新的領(lǐng)域。

審核編輯：符乾江