二氧化硅薄膜应用及制备方法
2020-12-18 17:42:22
二氧化硅材料主要以粉体材料的形式出现在工业应用的各个领域，如硅微粉、硅藻土粉体、白炭黑（气相法二氧化硅）等。本文将展现二氧化硅的另外一种形态的应用，那就是二氧化硅薄膜的行业应用。
一、二氧化硅薄膜行业应用
微电子领域：在微电子工艺中，SiO2薄膜因其优越的电绝缘性和工艺的可行性而被广泛采用。在半导体器件中，利用SiO2禁带宽度可变的特性，可作为非晶硅太阳电池的薄膜光吸收层，以提高光吸收效率；还可作为金属2氮化物2氧化物2半导体(MNSO）存储器件中的电荷存储层，集成电路中CMOS器件和iGeMOS器件以及薄膜晶体管(TFT)中的栅介质层等。
此外，随着大规模集成电路器件集成度的提高，多层布线技术变得愈加重要，如逻辑器件的中间介质层将增加到4～5层,这就要求减小介质层带来的寄生电容。目前普遍采用的制备介质层的SiO2，其介电常数约为4.0，并具有良好的机械性能。如用于硅大功率双极晶体管管芯平面和台面钝化，提高或保持了管芯的击穿电压，并提高了晶体管的稳定性。
光学领域：当前Si基SiO2光波导无源和有源器件的应用技术已经非常成熟，这类器件不仅具有优良的传导特性，还具备光放大、发光和电光调制等基本功能，在光学集成和光电集成器件方面很有应用前景。中国工程物理研究院与化学所用溶胶凝胶法成功地研制出紫外激光SiO2减反膜。结果表明，浸入涂膜法制备的多孔SiO2薄膜比早期的真空蒸发和旋转涂膜法制备的SiO2薄膜有更好的减反射效果。
其他方面：非晶态SiO2薄膜由于具有十分优良的负电荷充电和存储能力，成为无机驻极体的代表性材料，与已经得到广泛应用的传统有机高分子聚合物驻极体相比，以单晶硅为基片的SiO2薄膜驻极体无疑具有不可比拟的优势。除了电荷储存寿命长(可达200～500年)、抗高温恶劣环境能力强(可在近200℃温度区内工作)外，还可以和现代硅半导体工艺相结合，实现微型化甚至集成电路化。在驻极体电声器件与传感器件、驻极体太阳能电池板、驻极体马达与发电机等方面获得更广泛的应用。在ITO透明导电玻璃中，SiO2可作为钠离子阻挡层。近年来，随着溶胶凝胶技术的迅猛发展，采用这种工艺在玻璃表面浸镀上一层二氧化硅薄膜已成为一种较好的材料强度改性方法。此外，非晶SiO2还可以用于高阻隔食品包装材料。
二、常见二氧化硅薄膜制备方法
化学气相淀积（CVD）：CVD法制备SiO2可用以下几种反应体系:SiH4-O2、SiH4-N2O、SiH2Cl2-N2O、Si(OC2H5)4等。各种不同的制备方法和不同的反应体系生长SiO2所要求的设备和工艺条件都不相同，且各自拥有不同的用途和优缺点。
物理气相沉积(PVD)：物理气相沉积主要分为蒸发镀膜、离子镀膜和溅射镀膜三大类。其中真空蒸发镀膜技术出现较早，但此法沉积的膜与基体的结合力不强。美国IBM公司研制出射频溅射法，从而构成了PVD技术的三大系列——蒸发镀，溅射镀和离子镀。
热氧化法：热氧化工艺是在高温下(900～1200℃)使硅片表面氧化形成SiO2膜的方法，包括干氧氧化、湿氧氧化以及水汽氧化。
溶胶凝胶法：溶胶凝胶法是一种低温合成材料的方法，是材料研究领域的热点。目前在此方面已取得了较大进展。通常，多孔SiO2薄膜的特性依赖溶胶、凝胶的制备条件、控制实验条件(如溶胶组分、pH值、老化温度及时间、回流等)，可获得折射率在1.009～1.440、连续可调、结构可控的SiO2纳米网络。
小结：SiO2薄膜作为二氧化硅材料家族中的重要成员，对其开发具有很重要的意义。相信随着材料科学的进步，纳米SiO2薄膜会进一步工业化，并广泛应用于各个领域。