SiO2薄膜制备的现行方法综述

　　在导电基体上制作薄膜传感器的过程中，需要在基体与薄膜电极之间沉积一层绝缘膜。二氧化硅薄膜具有良好的绝缘性能，并且稳定性好，膜层牢固，长期使用温度可达1000℃以上，应用十分广泛。通常制备SiO₂薄膜的现行方法主要有磁控溅射、离子束溅射、化学气相沉积、热氧化法、凝胶－溶胶法等。本文系统阐述了各种方法的基本原理、特点及适用场合，并对这些方法做了比较。

　　正文：SiO₂ 薄膜以其优异的性能在半导体、微波、光电子、光学器件以及薄膜传感器等领域获得了广泛的应用。在微电子技术中SiO₂膜被用作扩散掩蔽层、MOS器件的绝缘栅、多层布线的绝缘隔离层以及器件表面的钝化保护层等。SiO₂膜还以其折射率低（n=1.458）、透光性好的特性用于光学零件的表面防护以及减反射涂层。此外SiO₂膜具有良好的绝缘性、稳定性和机械特性，硬度高、结构精细、膜层牢固、抗磨耐腐蚀、熔点高而用于多层薄膜传感器的绝缘层。为此，多年来人们对SiO₂膜制作方法及性能等进行了广泛的研究。对于应用于微电子技术和传感器技术中的SiO₂膜，人们关心的是SiO₂薄膜的介电常数、击穿场强、绝缘电阻、固定电荷和可动电荷密度等电性能指标。应用于光学镀膜领域的SiO₂膜，人们更关心膜层的折射率、消光系数及透明区间等光学性能指标。通常制备SiO₂薄膜现行方法主要有磁控溅射、离子束溅射、化学气相沉积(CVD)、热氧化法、凝胶- 溶胶法等。

1、SiO2薄膜的制备方法

1.1、磁控溅射

　　磁控溅射自1970年问世以来，由于其沉积速率快、衬底温度低、薄膜厚度的可控性、重复性及均匀性与其它SiO₂薄膜制备方法相比有明显的改善和提高，避免粉尘污染，以及溅射阴极尺寸可以按比例扩大等优点，已应用于从微电子器件到数平方米玻璃镀膜的诸多领域，并逐渐发展成为大面积高速沉积的主流方法。溅射的一般原理是将衬底承片台正对着靶，在靶和衬底之间充入氩气（Ar），由于电场作用气体辉光放电，大量的气体离子将撞击靶材的表面，使被溅射材料以原子状态脱离靶的表面飞溅出来，淀积到衬底上形成薄膜。磁控溅射中的正交电磁场，能使高能电子作螺旋运动，并被局限在阴极附近，这样将使辉光放电区被限制在阴极靶的邻近区域，从而避免了失效离子的产生，大大减小了电子对衬底表面直接轰击造成的损伤，增加了离化率，使工作气压可以大大降低。

　　如果在沉积室中增加反应性气体，使溅射粒子和反应性气体发生化学反应，从而合成化合物薄膜，这种沉积方法就称为反应磁控溅射。

1.1.1、直流反应磁控溅射

　　直流反应溅射用于化合物沉积早在70年代末就已经在工业上得到应用，如制备ITO膜和TiN膜等，大大拓展了溅射镀膜的应用范围。直流反应磁控溅射制备SiO₂薄膜时以Si为靶材，在Ar/O₂混合气中进行溅射。由于Si的溅射产额比SiO₂高得多，因此反应溅射的沉积速率远远高于射频溅射SiO₂靶材。其最大的特点是溅射速率高，设备简单。

　　但在直流反应溅射制备SiO₂等绝缘膜的过程中，氧化反应不仅发生在基片，还发生在靶面。当靶面的一定区域生成不导电的SiO₂膜层时，会形成以SiO₂作介质层的电容。在直流条件下，电容无法构成电流通路，必然造成轰击这一区域的工作气体离子Ar⁺积累。积累的正电荷将排斥Ar⁺进一步轰击，阻碍溅射的进行，使等离子体放电特性漂移，甚至使溅射终止。这一现象称为靶中毒。这种电荷的积累还会发生打弧现象。一种打弧现象是靶面上的微观打弧，即当介质层表面的电荷积累到一定程度，介质层被击穿造成的打弧。电容被击穿时，向等离子体发射大量的电子，有可能导致等离子体的崩溃，造成另一种更严重的打弧现象，即阴阳极之间的异常弧光放电。靶面上微观打弧的严重影响还在于造成靶面的局部熔融，产生的物质可能溅射到基片上，或改变放电参数，进而影响镀膜的均匀性。

　　如果在直流电源与镀膜系统之间插入一个脉冲发生器，即在直流反应磁控溅射中引入一个脉冲调制模式，将能有效防止这种异常弧光放电现象。

　　此外，在SiO₂等绝缘膜溅射过程中，随着溅射的进行，真空室内各个接地部件很快被覆盖上不导电的膜层，使得放电电流通路被切断，这就是所谓的阳极消失现象。阳极消失并不仅指整个阳极都被绝缘膜覆盖而对放电造成的致命影响。事实上，当阳极表面部分失效时，该区域的放电阻抗增加，使等离子体向阻抗低的区域移动，而等离子体的不断迁移直接影响镀膜均匀性和成膜质量。

1.1.2、中频反应磁控溅射

　　近十年发展起来的中频反应磁控溅射受到普遍的重视，并应用于大规模生产的设备中。中频反应磁控溅射又称为交流反应磁控溅射，采用数十kHz 的交流电源使一对孪生靶互为阴阳极放电轮回溅射。两个硅靶在交流电位的激励下，交替互为阴阳极。当其中一个靶处于负半周时，它被Ar⁺离子溅射，作为阴极；另一块靶处于正电位，充当阳极。在下半个周期，两者的角色互换。每个负半周靶面被溅射，同时也是对可能的靶面介质层的清理过程；而每个正半周，靶面积累的正电荷被中和，能有效抑制打弧及根除阳极消失现象，这对拓宽磁控溅射的应用前景起到了积极的作用。中频双靶反应磁控溅射原理如图1 所示。

　　双靶中频反应磁控溅射可以达到与直流溅射相近的溅射速率，而且双靶法的成膜均匀性和结构特性也优于直流法，适合于大面积高速沉积SiO₂膜，在ITO透明导电玻璃生产线上有大量应用。当然，双靶法需要同时安装两块靶材，对于实验室使用的小型设备不太适用。利用孪生靶在大平面上沉积SiO₂介质膜的过程中，在膜厚适度时，还可能出现大面积的膜层“烧蚀”现象。其具体表现为膜层呈松枝状被某种能量所刻蚀，刻蚀图案的形状有一定的随机性，其面积占总面积一半以上。

图1 双靶反应磁控溅射原理图