第二章 薄膜制备的化学方法(2)

2018-11-20 17:55

总体而言化学气相制备优点较多,如既可以沉积金属薄膜,又可以制取非金属薄膜,且成膜速率快,同一炉中可放置大量基板或工件;绕射性好,对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔等都能均匀覆膜;由于成膜温度高,反应气体、反应产物和基体的相互扩散,使膜的残余应力小,附着力好,且膜致密,结晶良好;在高饱和度下进行的,成核密度高,且沉积中分子或原子的平均自由程大,这些都有利于形成均匀平滑的薄膜。其缺点在于反应温度太高,一般在1000℃左右,而许多基材难以承受这样的高温,因而限制了它的应用范围。

三、激光化学气相沉积Laser chemical vapor deposition (LCVD)

利用激光源产生出来的激光束实现化学气相沉积的一种方法(激光加热非常局域化),从触发机制上来分可以分成光致化学反应、热致化学反应。

四、光化学气相沉积 photo chemical vapor deposition(PCVD) 用光束来激活反应物,促进生成物形成化学反应。

PCVD(Photo-chemical vapor deposition)借助于光能使反应气体分子分解(但不电离)而进行化学气相沉积的工艺过程。沉积可以在低温下进行,且光子能量不足以使反应物电离。

1-汞灯 2-石英玻璃 3-Ar气入口 4-SiH4入口 5-汞 6-废气 7-基片

图2-9 大气压下汞敏化光化学气相制备

1-真空泵 2-加热器 3- Si2H6入口 4-微波源 5-H2入口 6-石英管 7-真空计8-基片

图2-10 由Si2H6直接光致分解沉积高质量的ɑ-Si-H 的实验装置示意图

相比汞催化,直接光致分解没有汞污染,反应温度较低,且光束可聚焦实现局部反应。其中激光光致化学反应最有应用前景。

1-Ar入口2-多孔板 3-激光束 4-石英窗5-真空泵 6- 源气体入口 图2-11 用激光器制备ɑ-SiO2膜的激光致光化学气相反应的实验装置示意图

1-炉 2-基片架 3-石英管 4-激光束 5-真空泵 6-窗口 7-He气入口 8-SiH4、NH3气

图2-11Si=N膜的激光致光化学气相反应的实验装置示意图

五、等离子体增强化学气相沉积(Plasma assisted (enhanced) chemical vapor deposition (PACVD, PECVD)

一种高频辉光放电物理过程和化学反应相结合的技术可有效解决普通CVD基体温度高,沉积速度慢的不足。可以降低沉积物质的温度,提高沉积速度,成膜质量较好,不容出现龟裂等现象,但是等离子体的轰击容易让薄膜出现缺陷。

1-等离子体 2-接地电极3-基片架 4-基片 5-电极 6-真空泵

图2-12 交错立式电极组态示意图

1-进气口 2-石英管 3-射频线圈 4-气环 5-硅烷入口 6-基片加热块 7-真空泵

图2-13 远等离子体增强CVD沉积室示意图

1-基片架 2-辉光等离子体 3-石英管 4-感应加热等离子体 5-氮气入口6-硅烷入口7-射频线圈8-真空紫外光谱仪 9-真空泵 图2-14 在Si片上,利用感应加热等离子助CVD沉积SiN实验装置示意图

1-基片 2-加热器3-石英管 4-等离子体 5-波导管 6-磁体 7-真空泵 图2-15 沉积介电薄膜的微波受激等离子体增强CVD沉积室示意图

1-等离子体室 2-沉积室 3-长方形波导体 4-微波源 5-石英窗

6-气体入口 7-冷却水 8-磁线圈 9-等离子气体流 10-气体入口 11-基片 12-进气口

图2-16 电子回旋共振等离子体系统示意图

1,3-进水口 2-基片 4-气体入口

图2-17 制备金刚石薄膜的直流等离子体化学气

相沉积实验装置示意图

(a) 1-基片 2-阴极 3-气体

(b) 1-基片 2-阳极 3-气体4-气体5-阴极

图2-18中空阴极沉积薄膜的电极构造示意图

1-气阀 2-线圈 3-放电管 4-加热器

5-基片 6-底座 7-真空泵

1-石英管 2-基片 3-可调电容器 图2-20 用于a-SiC:H 的电场增强

PECVD装置示意图

图2-19 用于沉积碳膜的脉冲感应电磁感应

系统实验装置示意图

第三节 电镀

化学溶液镀膜法:在溶液中利用化学反应或电化学原理在集体材料表面上沉积成膜的一种技术。主要包含化学反应沉积、阳极氧化、电镀和溶胶-凝胶法等。

其中电镀是电流通过导电液(电解液)中的流动而产生化学反应最终在阴极上(电解)沉积某一物质的过程。用于电镀的系统由浸在电解液中的阳极和阴极构成,当电流通过时,材料沉积在阴极上,可用于导电基片上的金属、合金薄膜制备,如Al、As、Au、 Cd、 Co、 Cu、 Cr 、Fe、 Ni 、Pb 、Pt 、Rh、 Sn 、Zn。这种方法成膜速度快,基片可以任意形状,但是过程不可控。

第四节 化学镀

通常称为无电源电镀,是利用还原剂从所镀物质的溶液中以化学还原作用,在镀件的固液两相界面上析出和沉积得到镀层的技术。还原所用的还原剂的电离电位必须比沉积金属的电离电位低,但两者电位不宜相差过大。

常用的还原剂:次磷酸盐(镀镍)、甲醛(镀铜)

?原理:当电位较负的基体金属A浸入到电位较正的金属离子B2+溶液中时,由于存在一定

的电动势而形成微电池,在A表面上,发生金属B析出。本质上是一种在界面上固液两相间金属原子和离子相互交换的过程。其与化学镀的区别在于无需在溶液中加入化学还原剂,因为基体本身就是还原剂。在镀覆过程中,溶液中的金属离子被生长着的镀层表面所催化,并不断地还原而沉积在基体表面上,而且一旦沉积开始,沉积出来的金属就必须能继续这种催化功能,以便沉积过程连续进行,镀层才能加厚。

?特点

(1)工艺简单,适应范围广,不需要电源,不需要制作阳极,只要一般操作人员均可操作。 (2)镀层与基体的结合强度好。

(3)成品率高,成本低,溶液可循环使用,副反应少。 (4)无毒,有利于环保。

(5)投资少,数百元设备即可,见效快。

?应用

(1)化学镀在金属材料表面上的应用

铝或钢材料等非贵金属基底可用化学镀镍技术防护,并可避免用难以加工的不锈钢来提高它们的表面性质。化学镀银主要用于电子部件的焊接点、印制线路板,以提高制品的耐蚀性和导电性能。还广泛用于各种装饰品。 (2)化学镀在非金属材料表面上的应用

非导体可用化学镀镀一种或几种金属以提高其装饰性和功能性(例如电磁干扰屏蔽)。 许多工程塑料因其轻质和良好的耐腐蚀性能被考虑用作金属的代用品,可用化学镀镍来获得导电性或使其电屏蔽。


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