在導(dǎo)電基體上制作薄膜傳感器的過程中，需要在基體與薄膜電極之間沉積一層絕緣膜。二氧化硅薄膜具有良好的絕緣性能，并且穩(wěn)定性好，膜層牢固，長期使用溫度可達(dá)1000℃以上，應(yīng)用十分廣泛。通常制備SiO₂薄膜的現(xiàn)行方法主要有磁控濺射、離子束濺射、化學(xué)氣相沉積、熱氧化法、凝膠－溶膠法等。本文系統(tǒng)闡述了各種方法的基本原理、特點(diǎn)及適用場合，并對這些方法做了比較。

　　正文：SiO₂ 薄膜以其優(yōu)異的性能在半導(dǎo)體、微波、光電子、光學(xué)器件以及薄膜傳感器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在微電子技術(shù)中SiO₂膜被用作擴(kuò)散掩蔽層、MOS器件的絕緣柵、多層布線的絕緣隔離層以及器件表面的鈍化保護(hù)層等。SiO₂膜還以其折射率低（n=1.458）、透光性好的特性用于光學(xué)零件的表面防護(hù)以及減反射涂層。此外SiO₂膜具有良好的絕緣性、穩(wěn)定性和機(jī)械特性，硬度高、結(jié)構(gòu)精細(xì)、膜層牢固、抗磨耐腐蝕、熔點(diǎn)高而用于多層薄膜傳感器的絕緣層。為此，多年來人們對SiO₂膜制作方法及性能等進(jìn)行了廣泛的研究。對于應(yīng)用于微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)中的SiO₂膜，人們關(guān)心的是SiO₂薄膜的介電常數(shù)、擊穿場強(qiáng)、絕緣電阻、固定電荷和可動電荷密度等電性能指標(biāo)。應(yīng)用于光學(xué)鍍膜領(lǐng)域的SiO₂膜，人們更關(guān)心膜層的折射率、消光系數(shù)及透明區(qū)間等光學(xué)性能指標(biāo)。通常制備SiO₂薄膜現(xiàn)行方法主要有磁控濺射、離子束濺射、化學(xué)氣相沉積(CVD)、熱氧化法、凝膠- 溶膠法等。

1、SiO2薄膜的制備方法

1.1、磁控濺射

　　磁控濺射自1970年問世以來，由于其沉積速率快、襯底溫度低、薄膜厚度的可控性、重復(fù)性及均勻性與其它SiO₂薄膜制備方法相比有明顯的改善和提高，避免粉塵污染，以及濺射陰極尺寸可以按比例擴(kuò)大等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于從微電子器件到數(shù)平方米玻璃鍍膜的諸多領(lǐng)域，并逐漸發(fā)展成為大面積高速沉積的主流方法。濺射的一般原理是將襯底承片臺正對著靶，在靶和襯底之間充入氬氣（Ar），由于電場作用氣體輝光放電，大量的氣體離子將撞擊靶材的表面，使被濺射材料以原子狀態(tài)脫離靶的表面飛濺出來，淀積到襯底上形成薄膜。磁控濺射中的正交電磁場，能使高能電子作螺旋運(yùn)動，并被局限在陰極附近，這樣將使輝光放電區(qū)被限制在陰極靶的鄰近區(qū)域，從而避免了失效離子的產(chǎn)生，大大減小了電子對襯底表面直接轟擊造成的損傷，增加了離化率，使工作氣壓可以大大降低。

　　如果在沉積室中增加反應(yīng)性氣體，使濺射粒子和反應(yīng)性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而合成化合物薄膜，這種沉積方法就稱為反應(yīng)磁控濺射。

1.1.1、直流反應(yīng)磁控濺射

　　直流反應(yīng)濺射用于化合物沉積早在70年代末就已經(jīng)在工業(yè)上得到應(yīng)用，如制備ITO膜和TiN膜等，大大拓展了濺射鍍膜的應(yīng)用范圍。直流反應(yīng)磁控濺射制備SiO₂薄膜時(shí)以Si為靶材，在Ar/O₂混合氣中進(jìn)行濺射。由于Si的濺射產(chǎn)額比SiO₂高得多，因此反應(yīng)濺射的沉積速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于射頻濺射SiO₂靶材。其最大的特點(diǎn)是濺射速率高，設(shè)備簡單。

　　但在直流反應(yīng)濺射制備SiO₂等絕緣膜的過程中，氧化反應(yīng)不僅發(fā)生在基片，還發(fā)生在靶面。當(dāng)靶面的一定區(qū)域生成不導(dǎo)電的SiO₂膜層時(shí)，會形成以SiO₂作介質(zhì)層的電容。在直流條件下，電容無法構(gòu)成電流通路，必然造成轟擊這一區(qū)域的工作氣體離子Ar⁺積累。積累的正電荷將排斥Ar⁺進(jìn)一步轟擊，阻礙濺射的進(jìn)行，使等離子體放電特性漂移，甚至使濺射終止。這一現(xiàn)象稱為靶中毒。這種電荷的積累還會發(fā)生打弧現(xiàn)象。一種打弧現(xiàn)象是靶面上的微觀打弧，即當(dāng)介質(zhì)層表面的電荷積累到一定程度，介質(zhì)層被擊穿造成的打弧。電容被擊穿時(shí)，向等離子體發(fā)射大量的電子，有可能導(dǎo)致等離子體的崩潰，造成另一種更嚴(yán)重的打弧現(xiàn)象，即陰陽極之間的異常弧光放電。靶面上微觀打弧的嚴(yán)重影響還在于造成靶面的局部熔融，產(chǎn)生的物質(zhì)可能濺射到基片上，或改變放電參數(shù)，進(jìn)而影響鍍膜的均勻性。

　　如果在直流電源與鍍膜系統(tǒng)之間插入一個(gè)脈沖發(fā)生器，即在直流反應(yīng)磁控濺射中引入一個(gè)脈沖調(diào)制模式，將能有效防止這種異常弧光放電現(xiàn)象。

　　此外，在SiO₂等絕緣膜濺射過程中，隨著濺射的進(jìn)行，真空室內(nèi)各個(gè)接地部件很快被覆蓋上不導(dǎo)電的膜層，使得放電電流通路被切斷，這就是所謂的陽極消失現(xiàn)象。陽極消失并不僅指整個(gè)陽極都被絕緣膜覆蓋而對放電造成的致命影響。事實(shí)上，當(dāng)陽極表面部分失效時(shí)，該區(qū)域的放電阻抗增加，使等離子體向阻抗低的區(qū)域移動，而等離子體的不斷遷移直接影響鍍膜均勻性和成膜質(zhì)量。

1.1.2、中頻反應(yīng)磁控濺射

　　近十年發(fā)展起來的中頻反應(yīng)磁控濺射受到普遍的重視，并應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備中。中頻反應(yīng)磁控濺射又稱為交流反應(yīng)磁控濺射，采用數(shù)十kHz 的交流電源使一對孿生靶互為陰陽極放電輪回濺射。兩個(gè)硅靶在交流電位的激勵(lì)下，交替互為陰陽極。當(dāng)其中一個(gè)靶處于負(fù)半周時(shí)，它被Ar⁺離子濺射，作為陰極；另一塊靶處于正電位，充當(dāng)陽極。在下半個(gè)周期，兩者的角色互換。每個(gè)負(fù)半周靶面被濺射，同時(shí)也是對可能的靶面介質(zhì)層的清理過程；而每個(gè)正半周，靶面積累的正電荷被中和，能有效抑制打弧及根除陽極消失現(xiàn)象，這對拓寬磁控濺射的應(yīng)用前景起到了積極的作用。中頻雙靶反應(yīng)磁控濺射原理如圖1 所示。

　　雙靶中頻反應(yīng)磁控濺射可以達(dá)到與直流濺射相近的濺射速率，而且雙靶法的成膜均勻性和結(jié)構(gòu)特性也優(yōu)于直流法，適合于大面積高速沉積SiO₂膜，在ITO透明導(dǎo)電玻璃生產(chǎn)線上有大量應(yīng)用。當(dāng)然，雙靶法需要同時(shí)安裝兩塊靶材，對于實(shí)驗(yàn)室使用的小型設(shè)備不太適用。利用孿生靶在大平面上沉積SiO₂介質(zhì)膜的過程中，在膜厚適度時(shí)，還可能出現(xiàn)大面積的膜層“燒蝕”現(xiàn)象。其具體表現(xiàn)為膜層呈松枝狀被某種能量所刻蝕，刻蝕圖案的形狀有一定的隨機(jī)性，其面積占總面積一半以上。

圖1 雙靶反應(yīng)磁控濺射原理圖