薄膜沉积的现状与挑战

摘要

本文的目的是建立科技锁的技术水平，必须打开科技锁才能将直接大气压等离子体增强化学气相沉积(AP-PECVD)视为工业应用的可行选择。总结了理解和优化等离子体化学气相沉积工艺的基本科学原理。回顾了实验室反应器配置。给出了根据所需薄膜特性设计和使用等离子体化学气相沉积反应器的参考点。最后，讨论了避免粉末形成和提高薄膜生长速率的解决方案。

介绍

在过去的二十年里，非平衡（“冷”）大气压力等离子体增强化学气相沉积(AP-PECVD)被吹捧为一种很有前途的替代方法，可以取代一些用于薄膜沉积的低压(LP)等离子体过程。这种方法的主要动机和期望主要是为了允许连续的处理和允许更容易的处理，以及通过避免需要昂贵的传统低压等离子体装置的泵送系统来降低设备成本，并使用的开放系统。大气压操作为PECVD技术的优势增加了使用易于处理的设备的可能性，众所周知，这是一种易于实现以薄膜形式存在的材料的解决方案，具有微调的性能（化学、形貌等）。

放电机制和高能物质

本节描述了允许在大表面上沉积均匀涂层的放电状态。介绍了能量从等离子体向高能物质转化的方式，指出了对电子、亚稳态、光子、离子和气体加热的影响。在等离子体增强化学气相沉积工艺中，薄膜前体通常在主气体中稀释，这种稀释气体(氦、氩、在少数情况下还有空气)对于限制反应物质之间的碰撞，从而限制粉末形成是必要的。前体的稀释度很高，从几ppm到百分之几不等。稀释气体和反应添加剂的作用(例如薄膜前驱体)在放电状态下。与直接等离子体化学气相沉积一样，基底位于放电区内，也讨论了基底对放电行为的影响。

化学和前体沉积

通过大气压冷等离子体的薄膜沉积是通过添加前体气体或蒸汽以供给混合物来实现的，或者通过注入液体前体来实现的，如在气溶胶辅助等离子体沉积(AAPD)中，即大气等离子体液体沉积(APLD)技术，其中液体前体作为精细分散的气溶胶被引入放电中。

气溶胶通常由气动和超声波雾化器产生；虽然第一种方法基于文丘里效应，并且需要雾化气体作为例如排放进料混合物的稀释气体，但是第二种技术允许引入到超声波喷嘴中的液体的直接雾化，该超声波喷嘴可以集成在排放单元中或者位于外部排放区域。

尽管高压和扩散减少，但为了理解等离子体化学气相沉积过程，不仅要考虑气相反应。事实上，几项研究表明，气体分解在DBD相当低，气体表面反应经常在聚合过程中起主要作用。由于基本能级中物质的密度相对较高，涉及稀释气体甚至基本能级中的前体分子的反应迅速发生。另一方面，当密度相同时，由初始气体转变产生的涉及两种活性物质的反应比在低压等离子体中具有同样低的概率。

等离子体化学气相沉积反应器

气体注入和电极

衬底和衬底支架

不同类型的电源

露天或封闭式反应器

等离子体诊断和原位薄膜表征

总结

本文提出了一种最先进的不同等离子体、反应器和工艺溶液，通过直接AP-PECVD得到均匀的致密涂层。已经确定了五种不同的放电模式：FDBD、TDBD、GDBD、GLDBD和RFGD。乍一看，最适合PECVD应用的薄膜取决于薄膜密度（FDBD可接受或不接受），最大薄膜成本，主要由稀释气体（氮或空气TDBD、GLDBD或高贵气体GDBD、RFGD）、基底导电率(RFGD优选或不)和热塑性（FDBD、RFGD可接受或不接受）决定。另一个需要考虑的标准是，放电模式和稀释气体不仅影响放电的物理性质，而且还影响其化学性质。稀释气体作为一种反应性气体或催化剂。无论放电模式是什么，在设计等离子体反应器时的第二个关键点是应仔细考虑的气体流动喷射，以提高薄膜的生长速率和均匀性。基底位移（覆盖大表面的溶液）也必须考虑。如果找到了无粉末的均匀致密涂层的溶液，生长速率仍然稳定；理想的反应器结构仍然不清楚。因此，如果我们在科学出版物中系统地提供更多信息，如放电状态、功率/cm3和/cm2、气体停留时间、薄膜前驱体浓度、薄膜均匀性、无粉，以及注入气体、电极配置、电源以及设置和工艺参数影响薄膜质量或生长速率的详细信息，将是非常有成效的。AP操作不仅适用于在线工艺，也适用于引入液滴、纳米管、等离子体生物，为PECVD应用开辟新的领域。