بررسی فرآیند پلیمریزاسیون پلاسمایی برای تولید لایه سیلیکاتی متخلخل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم مهندسی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فناوری های نوین سبزوار، سبزوار، ایران

2 پژوهشکده لیزر و پلاسما، دانشگاه شهیدبهشتی تهران

چکیده

در این تحقیق، لایه سیلیکاتی فلوئوردار به روش پلیمریزاسیون پلاسمایی و با استفاده از دستگاه پلاسمایی فرکانس رادیویی تولید شده است. به منظور کاهش ضریب شکست لایه‌ها، تخلخل‌های ساختاری در لایه ایجاد شد. میزان ناخالصی، ضریب جذب اپتیکی، زبری سطح و میزان چگالی جریان تراوشی و آستانه میدان شکست لایه‌ها مورد بررسی قرار گرفتند. به منظور بررسی فرآیند پلیمریزاسیون پلاسمایی، نوع گاز فلوئوردار و فشار کاری و همچنین قرار دادن پایه برای بسترهای سیلیکونی مورد آزمایش قرار گرفتند. حالت‌های پیوند شیمیایی لایه‌ها و ریخت‌شناسی سطح لایه‌ها به ترتیب توسط طیف‎سنج تبدیل فوریه مادون قرمز و میکروسکوپ نیروی اتمی مورد بررسی قرار گرفت. علاوه بر این، مطالعه ضریب شکست و ضریب جذب لایه‌ها نیز توسط دستگاه بیضی‌سنجی طیفی انجام گرفت. نتایج نشان داد لایه سیلیکاتی فلوئوردار با خلوص بالا و تخلخل‌های ساختاری، دارای ضریب شکست فوق کم (1.17 و 1.09) و ثابت خاموشی کمتر از 4-10 است و افزایش فشار و همچنین قرار دادن پایه برای بستر‌ها موجب افزایش ناخالصی‌های آلی به ویژه پیوندهای کربنی و به موجب آن از بین رفتن تخلخل‌های ساختاری لایه شد که در مجموع منجر به افزایش ضریب شکست (1.39 و 1.37) و ثابت خاموشی (0.004 و 0.0005) لایه‌ها شده‌ است.

کلیدواژه‌ها


1. J. Memisevic, V. Korampally, S. Gangopadhyay, S.A. Grant, Characterization of a novelultra-low refractive index material for biosensor application, Sens. Actuators, B 141 (2009) 227-232.
2. S. G. Yoon, S. M. Kang, W. S. Jung, H. Kim, S. W. Kim, D. H. Yoon, Low refraction properties of F-doped SiOC:H thin films prepared by PECVD, Thin Solid Films 516 (2008) 1410-1413.
3. S.-H. Jeong, J. Nishii, H.-R. Park, J.-K. Kim, B.-T. Lee, Influence of fluorine doping on SiOxFy films prepared from a TEOS/O2/CF4 mixture using a plasma enhanced chemical vapor deposition system, Surf. Coat. Technol. 168 (2003) 51–56.
4. S.-J. Jung, B.J. Kim, M. Shin, Low-refractive-index and high-transmittance silicon oxide with a mixed phase of n-type microcrystalline silicon as intermediate reflector layers for tandem solar cells, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 121 (2014) 1-7.
5. H. Zhou, H.K. Kim, F.G. Shi, B. Zhao, Optical properties of PECVD dielectric thin films: thickness and deposition method dependence, J. Yota, Microelectron. J. 33 (2002) 999-1004.
6. S.T. Hwang, D.J. You, S.H. Kim, S. Lee, H.M. Lee, Large area Si thin film solar module applying n-μc-SiOx:H intermediate layer with low refractive index, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 113 (2013) 79-84.
7. V. Hody-Le Caër, E. De Chambrier, S. Mertin, M. Joly, M. Schaer, J.L. Scartezzini, A. Schüler, Optical and morphological characterisation of low refractive index materials for coatings on solar collector glazing, Renew. Energ. 53 (2013) 27-34.
8. Y.C. Tsai, J. Shieh. Growing invisible silica nanowires on fused silica plates provides highly transparent and superwetting substrates, Appl. Surf. Sci. 479 (2019) 619-625.
9. مظفری نیا رضا، ارزیابی ضریب شکست نور در لایه‌های نازک سیلیکا، نشریه علوم و مهندسی سطح، 5(1388)41-48
10. بهاری علی و فدایی سیده مژده، ویژگی های نانو ساختار نقره/اکسید سیلیسیوم، نشریه علوم و مهندسی سطح، 8(1388)41-47
11. Y.L. Cheng, Y.L. Wang, G. J. Hwang, M.L. O’Neill, E. J. Karwacki, P.T. Liu, C.F. Chen, Effect of deposition temperature and oxygen flow rate on properties of low dielectric constant SiCOH film prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition using diethoxymethylsilane, Surf. Coat. Technol. 200 (2006) 3134-3139.
12. M. R. Wang, Rusli, M. B. Yu, N. Babu, C. Y. Li, and K. Rakesh, Low dielectric constant films prepared by plasma-enhanced chemical vapor deposition from trimethylsilane, Thin Solid Films 462–463 (2004) 219-222.
13. F.J. Garcia-Garcia, J. Gil-Rostra, A. Terriza, J.C. González, J. Cotrino, F. Frutos, F.J. Ferrer, A.R. González-Elipe, F. Yubero, Low refractive index SiOF thin films prepared byreactive magnetron sputtering, Thin Solid Films 542 (2013) 332-337.
14. M.D. Barankin, T.S. Williams, E. Gonzalez, R.F. Hicks, Properties of fluorinated silica glass deposited at low temperature by atmospheric plasma-enhanced chemical vapor deposition, Thin Solid Films 519 (2010) 1307-1313.
15. W.L. Lu, T.W. Kuo, C.H. Huang, N.F Wang, Y.Z. Tsai, M.W. Wang, C.I. Hung, M.P. Houng, Effect of deposition temperature on the bonding configurations and properties of fluorine doped silicon oxide film, Thin Solid Films 520 (2011) 35-40.
16. S. Yu, J.S. Lee, S. Nozaki, J. Cho, Microstructure developments of F-doped SiO2 thin films prepared by liquid phase deposition, Thin Solid Films 520 (2012) 1718-1723.
17. P. Kirsch, Modern fluoroorganic chemistry: synthesis, reactivity, applications (Wiley-VCH), p.1 (2004).
18. X. Guo, J.E. Jakes, M.T. Nichols, S. Banna, Y. Nishi, J.L. Shohet, The effect of water uptake on the mechanical properties of low-k organosilicate glass, J. Appl. Phys. 114 (2013) 084103-11.
19. S.K. JangJean, C.P. Liu, Y.L. Wang, W.S. Hwang, W.T. Tseng, S.W. Chen, K.Y. Lo, Fluorine-modified low-k a-SiOC:H composite films prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition, Thin Solid Films 447–448 (2004) 674–680.
20. V. Hody-Le Caër, E. De Chambrier, S. Mertin, M. Joly, M. Schaer, J.L. Scartezzini, A. Schüler, Optical and morphological characterisation of low refractive index materials for coatings on solar collector glazing, Renewable Energy 53 (2013) 27-34.
21. M. Abbasi-Firouzjah, B. Shokri, Deposition of high transparent and hard optical coating by tetraethylorthosilicate plasma polymerization, Thin Solid Films 698 (2020) 137857.
22. M. Abbasi-Firouzjah, S.I. Hosseini, M. Shariat, B. Shokri, The effect of TEOS plasma parameters on the silicon dioxide deposition mechanisms, J. Non-Cryst. Solids 368 (2013) 86–92.
23. A.M. Mahajan, L.S. Patil, J.P. Bange, D.K. Gautam, Growth of SiO films by TEOS PECVD system for microelectronics applications, Surf. Coat. Technol. 183 (2004) 295–300.
24. J. Schäfer, J. Hnilica, J. Šperka, A. Quade, V. Kudrle, R. Foest, J. Vodák, L. Zajίčková, Tetrakis(trimethylsilyloxy)silane for nanostructured SiO2-like films deposited by PECVD at atmospheric pressure, Surf. Coat. Technol. 295 (2016)112–118.
25. H. Zhang, Z. Guo, Q. Chen, X. Wang, Z. Wang, Z. Liu, Deposition of silicon oxide coatings by atmospheric pressure plasma jet for oxygen diffusion barrier applications, Thin Solid Films 615 (2016) 63–68.
26. Y.H. Kim, M.S. Hwang, H. J. Kim, Infrared spectroscopy study of low-dielectricconstant fluorine-incorporated and carbon-incorporated silicon oxide films, J. Appl. Phys. 90 (2001) 3367-3370.
27. D.W. Berreman, Infrared absorption at longitudinal optic frequency in cubic crystal films, Phys. Rev. 130 (1963) 2193.
28. S.C. Deshmukh, E.S. Aydil, Investigation of SiO2 plasma enhanced chemical vapor deposition through tetraethoxysilane using attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy, J. Vac. Sci. Technol. A 13.5 (1995) 2355–2367.
29. P. Uznanski, B. Glebocki, A. Walkiewicz-Pietrzykowska, J. Zakrzewska, A.M. Wrobel, J. Balcerzak, J. Tyczkowski, Surface modification of silicon oxycarbide films produced by remote hydrogen microwave plasma chemical vapour deposition from tetramethyldisiloxane precursor, Surf. Coat. Technol. 350 (2018) 686–698.
30. J. W. Yi, Y. H. Lee, and B. Farouk, Low dielectric fluorinated amorphous carbon thin films grown from C6F6 and Ar plasma, Thin Solid Films 374 (2000) 103-108.
31. T.K.S. Wong, B. Liu, B. Narayanan, V. Ligatchev, R. Kuma, Investigation of deposition temperature effect on properties of PECVD SiOCH low-k films, Thin Solid Films 462-463 (2004) 156–160.
32. M. Klevenz, S. Wetzel, M. Moller, A. Pucci, Evaporation and Condensation of SiO and SiO2 Studied by Infrared Spectroscopy, Appl. Spectrosc. 64 (2010) 298–303.
33. M.T. Kim, Deposition kinetics of silicon dioxide from tetraethylorthosilicate by PECVD, Thin Solid Films 360 (2000) 60–68.
34. A. Fridman, L.A. Kennedy, Plasma Physics and Engineering (second edition), CRC Press, Taylor & Francis, (2011).
35. R.T. Sanderson, Chemical Bonds Bond Energy, Academic Press, New York, 1976.
36. S. I. Hosseini, M. Sharifian, and B. Shokri, Single and dual-mode plasma enhanced chemical vapor deposition of fluorinated diamond-like carbon films, Surf. Coat. Technol. 213 (2012) 285-290.
37. E.A. Haupfear, E.C. Olson, L.D. Schmidt, Kinetics of SiO2 deposition from tetraethylorthosilicate, J. Electrochem. Soc. 141 (1994) 1943–1950.
38. Q. Chen, Y. Zhang, E. Han, Y. Ge, SiO2-like film deposition by dielectric barrier discharge plasma gun at ambient temperature under an atmospheric pressure, Journal of Vacuum Science & Technology A 24 (2006) 2082-2086.
39. A. Barranco, J. Cotrino, F. Yubero, J.P. Espino´s, J. Ben´ıtez, C. Clerc, A.R. Gonza´lez-Elipe, Synthesis of SiO2 and SiOxCyHz thin films by microwave plasma CVD, Thin Solid Films 401 (2001) 150–158.
40. J. Gong, R. Dai, Z. Wang, C. Zhang, X. Yuan, Z. Zhang, Temperature dependent optical constants for SiO2 film on Si substrate by ellipsometry, Mater. Res. Express 4 (2017) 085005.
41. M. T. Othman, J. A. Lubguban, A. A. Lubguban, and S. Gangopadhyay, R. D. Miller, W. Volksen, and H.-C. Kim, Characterization of porous low-k films using variable angle spectroscopic ellipsometry, J. App. Phys. 99 (2006) 083503.
42. V. Ion, A. Andrei, M. Dinescu, N.D. Scarisoreanu, Optical Properties of Complex Oxide Thin Films Obtained by Pulsed Laser Deposition, Chapter 6, (2017).
43. P.F. Wang, S.J. Ding, W. Zhang, J.Y. Zhang, J. T. Wang, W.L. Wei, FTIR characterization of fluorine doped silicon dioxide thin films deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition, Chin. Phys. Lett., 17 (2000) 912-914.