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薄膜制备的化学方法

发布日期:2015年11月20日    浏览次数:2373

薄膜制备的化学方法需要一定的化学反应,这种化学反应可以有热效应引起或者由离子的电致分离引起,在化学气相沉淀和热生长过程中,化学反应是靠热效应来实现,而在电镀和阳极氧化沉淀过程中则是靠例子的电致分离实现。 


一、热生长

由热生长制备薄膜不是一种常用技术,但热生长金属和半导体氧化物的研究则较为广泛,这是由于氧化物可以钝化表面,而氧化物的绝缘性质在电子器件制备中非常有用。

所有金属除了Au以外都与氧发生反应形成氧化层,对于金属的热氧化人们提出了许多模型,这些模型涉及金属和合金热氧化膜的成核和形成,在所有模型中,皆假设金属阳离子获氧阴离子通过氧化物点阵扩散而不是沿着晶界或孔洞扩散形成氧化膜。热氧化过程通常是在传统的氧化炉中进行。

Ponpon等人在干燥的氧气气氛下,在硅上进行了快速热氧化生长,制备了很薄的氧化硅膜,其生长速率较传统的氧化炉高,且与时间的平方根成正比,在进行高温循环的快速热循环系统中,可以在小于1min的时间里制备出厚度达30nm的氧化层,他们所使用的生长系统在1~64s时间内温度范围可子啊1000~1200℃变化,这一高温、快速方法有两个优点:①可精确控制氧化硅(≤30nm)的生长;②可获得低荷电、低界面态密度氧化硅膜。

George等人使用如图1所示的实验装置,在空气和超热水蒸气下,通过对薄Bi膜的氧化制备了Bi2O3膜,在这一工作中,他们首次得到了单相膜α-Bi2O3、β- Bi2O3和у- Bi2O3。

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图1  在空气和超热水蒸气下,薄Bi膜氧化实验装置示意图

1-热电偶;2-窄玻璃管;3-加热线圈;4-玻璃管;

5-样品;6-出气口;7-盖;8-进气口


二、化学气相沉积

化学气相沉积是制备各种各样薄膜材料的一种重要和普遍使用的技术,利用这一技术可以在各种基片上制备元素及化合物薄膜,化学气相沉积相对于其他薄膜沉积技术具有许多优点:它可以准确的控制薄膜的组分及掺杂水平使其组分具有理想化学配比;可在复杂形状的基片上沉积成膜;由于许多反应可以在大气压进行,系统不要昂贵的真空设备;化学气相沉积的高沉积温度会大幅度改善晶体的结晶完整性;可以利用某些材料在熔点或蒸发时分解的特点而得到其他方法无法得到的材料;沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进行。

化学气相沉积的明显缺点是化学反应需要高温,反应气体会与基片或设备发生化学反应,在化学气相沉积中所使用的设备可能较为复杂,且有许多变量需要控制。

1. 一般的化学气相沉积反应: 在化学气相沉积中,气体与气体子啊包含基片的真空室中混合,在适当的温度下,气体发生化学反应将反应物沉积在基片表面最终形成固态膜。

2. 激光化学气相沉积: 激光化学气相沉积是通过使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,从本质上讲,由激光触发的化学反应有两种机制:一种为光致化学反应,另一种为热致化学反应。

3. 光化学气相沉积: 光化学气相沉积是一种非常吸引人的气相沉积技术,它可以获得高质量、无损伤薄膜,这一沉积技术的优点是:沉积在低温下进行、沉积速率快、可生长压稳相形成突变结。

4. 等离子体增强化学气相沉积: 等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是用于沉积各种材料的一种通用技术,这些材料包括SiO2、Si3N4、非晶Si:H、多晶Si、SiC等介电和半导体膜。


三、电镀

电镀是电流通过导电液(称为电解液)中的流动二产生化学,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适当的电解液中的阳极和阴极构成,当电流通过时,材料便沉积在阴极上。电镀方法只适用于在导电的基片上沉积金属和合金。薄膜材料在电解液中是以正离子的形式存在,而电解液大多是离子化合物的水溶液。在阴极放电的离子数以及沉积物的质量遵从法拉第定律:

公式1

式中m/A代表单位而积上沉积物的质量;j为电流密度;t为沉积时间;M为沉积物的分子量;n为价数;F为法拉第常数;a为电流效率。


四、化学镀

不加任何电场、直接通过化学反应而实现薄膜沉积的方法叫化学镀。化学反应可以在有催化剂存在和没有催化剂存在时发生,使用活性剂的催化反应也可视为化学镀。

化学镀是一非常简单的技术,它不需要高温,而且经济实惠,利用这一技术实现大面积沉积也是可能的。


五、阳极反应沉积法

阳极反应沉积依赖于阳极反应,在阳极反应中,金属在适当的电解液中作为阳极,而金属或石墨作为阴极,当电流通过时,技术阳极表面被消耗并形成氧化涂层,即,氧化物生长在金属阳极表面。


六、LB技术

利用分子活性在气液界面上形成凝结膜,将该膜逐次叠积在基片上形成分子层(或称膜)的技术由Katharine Blodgtt和Irving Langmuir在1993年发现,这一技术称为LB技术。应用这一技术可以生长高质量、有序单原子层或多原子层,其介电强度较高,这些LB膜可以应用到电子仪器和太阳能转换系统上,LB膜研究领域如今已有长足发展,大量材料如脂肪酸或其他长链脂肪族材料、用很短的脂肪连替代的芳香族以及其他相似材料可以形成高质量的LB膜。


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