薄膜封装，等离子体技术，原子层沉积，化学气相沉积

薄膜封装，等离子体技术，原子层沉积，化学气相沉积

薄膜封装

薄膜封装概念

薄膜真空沉积的一个很重要的技术应用就是薄膜封装。人们对薄膜封装最简单的认识就是日常生活中最常见的保鲜膜，水氧渗透率大约是1-10 g/m2/day。先进薄膜封装，通过真空沉积一层或多层厚度在纳米或微米尺度的薄膜，大幅减少本体与外界环境之间的物质交换，达到保护本体或外界环境的功能，一般来说水氧渗透率小于0.1 g/m2/day。

化学沉积，包括CVD和ALD，在这个方向具有非常大的应用价值，对应的终端产品包括OLED显示/照明、量子点显示、光伏、射频/功率器件、MEMS、miniLED、microLED、PCB、医疗器械等。

 

 

原子层沉积

原子层沉积概念

原子层沉积（Atomic layer deposition，简称ALD），通过前驱体A与基体表面的饱和化学吸附和反应生成第一层原子层，然后通过吹扫排除剩余前驱体A，之后通入前驱体B再次饱和化学吸附到基体表面，并与前驱体A发生化学反应生成另一层预沉积物质，其副产品与多余前驱体B通过吹扫排出。此过程依次循环反复获得沉积薄膜，并通过反应循环次数精确控制膜厚。

以Al₂O₃制备原理进行说明

（ALD）原子层沉积技术，能够以原子层与层的形式进行薄膜生长。以水和三甲基铝（TMA）前驱体沉积Al₂O₃阐述ALD原理。

使用水和TMA沉积Al₂O₃的化学机理如图1中的5个步骤所示。

 

 

步骤1：将样品放置暴露于空气、氧气或者臭氧中（图1A）。

步骤2：通入TMA前驱体；TMA将于表面的OH基团反应。TMA不会与自身发生反应，并且在表面生成单一层。（图1B，1C）

步骤3：通过抽真空或者N2冲洗的方式去除未反应的TMA分子。

步骤4：通入水蒸气到反应装置。移除CH3基团，建立Al-O-Al结构，并与Al-OH。生成CH4（甲烷）气态副产物。（图1E，1F）

步骤5：通过抽真空或者N2冲洗的方式去除未反应的H₂O和CH4分子（图1G）。

步骤1至5为一个周期。在特定温度条件下，每个周期最多能够生成1.1Å的Al₂O₃，即100个周期能够生成11nm的Al₂O₃。

原子层沉积ALD的应用包括：

1)     High-K介电材料 (Al2O3, HfO2, ZrO2, PrAlO, Ta2O5, La2O3)；

2)     导电门电极 (Ir, Pt, Ru, TiN)；

3)     金属互联结构 (Cu, WN, TaN,Ru, Ir)；

4)     催化材料 (Pt, Ir, Co, TiO2, V2O5)；

5)     纳米结构 (All ALD Material)；

6)     生物医学涂层 (TiN, ZrN, TiAlN, AlTiN)；

7)     ALD金属 (Ru, Pd, Ir, Pt, Rh, Co, Cu, Fe, Ni)；

8)     压电层 (ZnO, AlN, ZnS)；

9)     透明电学导体 (ZnO:Al, ITO);

10)    紫外阻挡层 (ZnO, TiO2);

11)    OLED钝化层 (Al2O3);

12)    光子晶体 (ZnO, ZnS:Mn, TiO2, Ta3N5);

13)    防反射滤光片 (Al2O3, ZnS, SnO2, Ta2O5)；

14)    电致发光器件 (SrS:Cu, ZnS:Mn, ZnS:Tb, SrS:Ce);

15)    工艺层如蚀刻栅栏、离子扩散栅栏等 (Al2O3, ZrO2);

16)    光学应用如太阳能电池、激光器、光学涂层、纳米光子等 (AlTiO, SnO2, ZnO);

17)    传感器 (SnO2, Ta2O5);

18)    磨损润滑剂、腐蚀阻挡层 (Al2O3, ZrO2, WS2)；

化学气相沉积

化学气相沉积技术介绍

化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）是一种用来产生纯度高、性能好的固态材料的化学技术。半导体产业使用此技术来成长薄膜。典型的CVD工艺是将晶圆（基底），暴露在一种或多种不同的前趋物下，在基底表面发生化学反应，或/及化学分解来产生欲沉积的薄膜。反应过程中，通常也会伴随地产生不同的副产品，但大多会随着气流被带走，而不会留在反应腔（reaction chamber）中。

CVD技术可以用来沉积不同形式的材料，包括单晶、多晶、非晶及外延材料。这些材料有硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳米线、纳米碳管、硅锗、钨、硅碳、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及各种不同的high-k介质等材料。CVD制程也常用来生成合成钻石。

根据不同的压力工作条件，CVD可以分为以下几种类型：

• APCVD（atmospheric pressure CVD）：在大气压条件下进行化学气相沉积
• LPCVD（low pressure CVD）：在低压条件下进行化学气相沉积，较低的压力可以减少气相中的反应，使反应尽可能在沉积表面进行，从而提高薄膜的均匀性
• UHVCVD（ultrahigh vacuum CVD）：在低于10^-6Pa的超高真空环境下，进行化学气相沉积，获得高质量的膜层

目前主流CVD为LPCVD或UHVCVD。

通过等离子体可提高CVD过程中的反应速率、降低反应温度，在很多薄膜沉积领域常用的技术。具体来说可分为以下几种形式：

• MPCVD（Microwave plasma-assisted CVD）：微波等离子体化学气相沉积，利用微波，使反应气体产生等离子体参与化学气相沉积过程
• PECVD（Plasma-enhanced CVD）：等离子体增强化学气相沉积，利用等离子体（通常为电感或电容耦合产生），提升前驱体的化学反应速率，可在较低温度下实现有机薄膜的沉积
• RPECVD（Remote plasma-enhanced CVD）：远程等离子增强化学气相沉积，与普通PECVD类似，但是等离子体并不在沉积区内产生，而是在其它区域产生后输送至基板所在区域发送化学反应。这种模式进一步降低了沉积温度，甚至可以在室温下进行
• LEPECVD (Low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition) ：低能量等离子体增强化学气相沉积，采用高密度但低能量的等离子体，进行半导体材料的外延生长，同时能够实现低温和高沉积速率。

 

等离子体技术

什么是等离子体技术

等离子体是物质除气态、液态以及固态以外的第四种形态，其由阳离子、中性粒子、自由电子等多种不同性质的粒子，所组成的电中性物质，其中阴离子（自由电子）和阳离子分别的电荷量相等，这就是物理学上所谓“等离子”。

自然界中常见的等离子体包括闪电、极光、日冕等。人工等离子体则通常是通过对气体外加高压电源，使超过临界数量的电子脱离原子核，产生电离后得到的。等离子体和气体一样，形状和体积不固定，会依着容器而改变。等离子体有接近完美的导电率，会在磁场的作用下，显现出各种三维结构，例如丝状物、圆柱状物和双层等。

等离子体和气体有以下若干不同之处

电导率：气体的电导率非常低，例如空气是良好的绝缘体，但在电场强度超过 3*10^6 V/m时会分解成等离子体。而等离子体的电导率通常非常高，在许多应用中，可假设等离子体的电导率为无限大。

粒子的多样性：气体通常只有单一一种粒子，所有气体粒子的行为类似，都受重力及其他粒子碰撞的影响。而等离子体则有2至3种不同性质的粒子，例如电子、离子、质子和中子，这些不同性质的粒子，可以以其电荷的正负和大小来区别，并会有不同的速度和温度。这能产生一些特殊的波和不稳定性。

 

 

 电极放电产生等离子体

速度分布：气体的粒子碰撞，使气体的诸粒子的速度符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布，其中速度较高的粒子非常少。而有一定电离度的等离子体的诸粒子并不经常碰撞，因此，以碰撞形式表现的相互作用不显著，另外，外力的出现也会导致等离子体远远偏离局部平衡，并产生一组速度特别高的粒子，所以，麦克斯韦-玻尔兹曼分布，并不适合用来描述等离子体诸粒子的速度分布。

粒子间的相互作用：气体的诸粒子的相互作用，只局限于两颗粒子之间，以碰撞的形成表现，三颗粒子间的碰撞是极为罕见的。等离子体的诸粒子可以集体互动，在较大的距离上通过电磁力相互影响，所以，会产生波以及其他有组织性的运动。

处于等离子状态的物质，具有高而不稳定的能量水平。如果等离子接触到固体材料，其能量将作用于固体表面，并导致物体表面的重要性质（如表面能量）发生变化。在各项制造应用领域，可以利用等离子体这一特点，对材料的表面进行特定的更改，从而实现表面清洗、活化、防腐等功能。在薄膜沉积领域，等离子增强技术，已经广泛应用于化学气相沉积、原子层沉积等领域，大幅拓宽了可沉积材料的范围，能够实现更适合工业生产所需的低温、高速沉积工艺。