材料設計中的化學沉積技術

Viktor P. Balema, Dr.

Material Matters 2006, 1.3, 3.

在過去十年中，化學沉積技術在新型先進裝置的設計和製造中發揮了異常重要的作用。分子束磊晶 (MBE)、物理氣相沉積 (PVD) 或濺鍍等物理沉積技術已被用於這些應用。然而，這些技術都有其限制，例如保形性差、產量低、方向變化受限，以及成分控制能力降低。所有這些問題都可以使用化學沉積技術來解決，因為化學沉積技術具有超薄薄膜生長等額外優勢。特別是當層狀無機材料被組裝以製造電子晶片或修改工具表面以改善性能和耐用性時。目前，有兩組不同但相關的技術在這個領域中佔有主導地位。第一組包括化學氣相沉積 (CVD) 和原子層沉積 (ALD)，使用氣相將揮發性分子傳送到作為基板的表面。第二組沉積技術稱為化學溶液沉積或溶膠-凝膠處理，使用液相作為質量傳輸媒介。

這兩組技術之間有一個基本的相似之處，那就是製造最終材料的方式。在這兩種情況下，作為前體的化學化合物分子都會被傳送到基板表面，並經過化學改性以獲得所需的薄膜。不過，應該注意的是，在 CVD/ALD 的情況下，前體的化學轉換可以在氣相和氣固界面上發生，而在溶膠-凝膠製程中，則是在溶液中進行 (圖 1)。在 CVD/ALD 方法中，前體的化學改性通常是透過前體分子的熱轉換和/或與其他揮發性前體分子或反應性氣體 (例如氧氣或氫氣) 的反應來實現的。^1-3 溶膠-凝膠加工包含一連串溶液和固態的化學轉換。其中包括在適當的溶劑中形成膠體懸浮液 (溶膠)、凝膠化 (凝膠)、溶劑蒸發 (乾燥) 以及熱處理 (燒結)。

圖一 陶瓷薄膜化學沉積示意圖。

膜層厚度低於 1 μm 的材料稱為薄膜，而較厚的膜層，尤其是超過電子晶片中電晶體尺寸的膜層，則定義為厚膜。薄膜和厚膜在電子和光學裝置、電腦記憶晶片以及其他相關應用中都扮演著非常重要的角色。

通常，CVD/ALD 技術是在無機基底上沉積薄膜的首選方法，而當需要厚膜或奈米粉末時，則會考慮以溶液為基礎的溶膠-凝膠方法。此外，較低的設備成本和合理的鍍膜符合性，也可能使溶膠-凝膠成為 CVD/ALD 的低成本替代方法。

通常，沉積製程的性質決定了控制薄膜厚度的方式。因此，在傳統 CVD 中，薄膜的生長取決於沉積時間，而在 ALD 中，則由沉積週期的次數控制。^1-3 在溶膠-凝膠製程中，薄膜的製作主要採用兩種方法 - 旋塗或浸塗。在第一種情況下，基板以一定的角速度 ω 旋轉，前導體 (溶膠) 沿著旋轉軸被引導到基板表面。所形成薄膜的厚度 (h) 取決於溶膠特性與基板旋轉速度的複雜組合。實際上，可以使用半經驗公式來預測

h = Aω^Β

其中 A 和 B 是經驗係數。浸鍍製程包括將基板連續浸入溶液或從溶液中抽出。在一個浸漬-抽出循環中獲得的薄膜厚度由溶液的特性決定8，即黏度 (η)、密度 (ρ)、表面張力 (σ) 和抽出速度 (n) :

h = 0.945{(nη)^2/3/ (gρ)^1/2σ^1/6}

CVD/ALD 技術可以製造出均勻度高、金屬純度高的薄膜，而溶膠-凝膠製程則提供了一種獨特且簡單的方法來調整薄膜的化學成分和形態。溶膠-凝膠處理也可以提供比 CVD/ALD 更便宜的替代方案，尤其是在需要原位摻雜的情況下。

溶液處理成功用來替代 CVD/ALD 的一個例子是製備矽薄膜電晶體，其中多晶矽的沉積使用了液態前導體環五硅烷 (Si₅H₁₀)。⁹ 所得薄膜的晶粒尺寸低至 300 nm，與一般以 CVD 製備的薄膜相若。

鎂鋁尖晶石 (MgAl₂O₄) 的沉積說明了 CVD 明顯優於溶劑型處理。由於鎂鋁尖晶石具有機械強度、耐化學性和低密度，因此是耐火材料應用的絕佳材料。此外，它還具有作為濕度感測器和氧化物超導體生長緩衝層的潛力。MgAl₂O₄ Thin films of MgAl₂O₄ have been successfully prepared by CVD using Mg-Al precursors such as MgAl2(OPr-i)₈ 或 MgAl₂(OBu-t)₈。在此應用中，我們使用類似的中間體 MgAl₂[(OCH₂CH₂)N]₃進行溶膠凝膠處理，得到微孔粉末。^10,11 值得注意的是，某些組別的前體，例如金屬烷氧基化合物，可以成功地用於 CVD/ ALD 和化學溶液沉積/溶膠-凝膠製程的金屬氧化物薄膜和奈米結構。^12-14

因此，當化學氣相沉積和溶液沉積技術發揮其最大能力時，它們是極佳的工具，可讓您設計出具有預定尺寸、形態和特性的各種材料。

鳴謝

我要感謝 S. Jasty 博士、A.Korolev 博士、M. Stender 博士和 S. Adam 在手稿準備過程中提供的討論和協助。

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