薄膜制备技术CVD

薄膜制备技术CVD
2020年4月22日星期三
p化学气相沉积法的概念
• 化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、等 离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸 汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成 固态沉积物的技术。
• 简单来说就是：两种或两种以上的气态原材料导入到一 个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应，形成一种 新的材料，沉积到基片表面上。
• 许多金属和半导体的卤化物是气体化合物或具有较高的蒸 气压，很适合作为化学气相沉积的原料，要得到相应的该 元素薄膜就常常需采用氢还原的方法。氢还原法是制取高 纯度金属膜的好方法，工艺温度较低，操作简单，因此有 很大的实用价值。例如：
(3) 化学合成反应沉积
• 化学合成反应沉积是由两种或两种以上的反应原料气在沉 积反应器中相互作用合成得到所需要的无机薄膜或其它材 料形式的方法。这种方法是化学气相沉积中使用最普遍的 一种方法。
气态源物质使之发生热分解，最后在衬底上沉积出所需的固态 材料。热分解发可应用于制备金属、半导体以及绝缘材料等。 最常见的热分解反应有四种。 （a）氢化物分解 （b）金属有机化合物的热分解
（c）氢化物和金属有机化合物体系的热分解 （d）其他气态络合物及复合物的热分解
(2)氧化还原反应沉积 一些元素的氢化物、有机烷基化合物常常是气态的或者 是易于挥发的液体或固体，便于使用在CVD技术中。如 果同时通入氧气，在反应器中发生氧化反应时就沉积出 相应于该元素的氧化物薄膜。例如：
(5) 歧化反应 • 某种元素具有多种气态化合物，其稳定性各不相同。外界条
件的变化可使一种化合物转变为另一种稳定性较高的化合物 ，这就是歧化反应。
• 上述特性使我们可以利用调整反应室的温度，有目的地将沉 积室划分为高温区和低温区，实现一种价态化合物薄膜的沉 积，
能源增强反应沉积 (1) 等离子体增强的反应沉积 • 在低真空条件下，利用直流电压（DC）、交流电压（AC）
（3）采用某种基底材料，沉积物达到一定厚度以后又容易 与基底分离，这样就可以得到各种特定形状的游离沉积 物器具。
（4）在CVD技术中也可以沉积生成晶体或细粉状物质， 或者使沉积反应发生在气相中而不是在基底表面上，这 样得到的无机合成物质可以是很细的粉末，甚至是纳米 尺度的超细粉末。
p CVD技术的分类
• 一些常用的PECVD反应有：
• (2)其他能源增强反应沉积 • 随着高新技术的发展，采用激光增强化学气相沉积也是
常用的一种方法。源自文库如：
•
• 通常这一反应发生在300℃左右的衬底表面。采用激光束 平行于衬底表面，激光束与衬底表面距离约1mm，结果 处于室温的衬底表面上就会沉积出一层光亮的钨膜。
• 其他各种能源，例如利用火焰燃烧法，或热丝法都可以 实现增强反应沉积的目的。
•2. CVD过程的热力学原理
热力学理论可以帮助我们预测某个CVD反应是否有可能发生，但不能 确保反应一定发生，即从热力学角度被认为是可以进行的过程，实际中 由于受动力学因素的影响而有时不会发生。
化学反应的自由能变化
n 化学反应： n自由能变化： n 根据最大功原理，每种物质自由能可表示为：
CVD技术根据反应类型或者压力可分为 低压CVD(LPCVD) 常压CVD(APCVD) 亚常压CVD(SACVD) 超高真空CVD(UHCVD)
CVD技术 等离子体增强CVD(PECVD) 高密度等离子体CVD(HDPCVD) 快热CVD(RTCVD) 金属有机物CVD(MOCVD)
p CVD技术的原理
n其中Gi0为物质i 标准状态下的自由能，ai为物质的活度，多数情况下可 用物质的浓度代替 。
n 整个反应自由能的变化为：
n其中
为标准状况下的自由能变化
n 平衡时，各物质活度的函数
称为该化学反应平衡常数
n平衡时 G =0 所以 Go=-RTlnK; 或 K=exp(- Go/RT);
1. CVD技术的反应原理 CVD是建立在化学反应基础上的，要制备特定性能材料首 先要选定一个合理的沉积反应。用于CVD技术的通常有如 下所述五种反应类型。 (1)热分解反应 热分解反应是最简单的沉积反应，利用热分解反应沉积材 料一般在简单的单温区炉中进行，其过程通常是首先在真 空或惰性气氛下将衬底加热到一定温度，然后导入反应
(2)通过沉积反应易于生成所需要的材料沉积物，而其他 副产物均易挥发而留在气相排出或易于分离；
(3)反应易于控制。
p CVD技术的特点
CVD技术是原料气或蒸汽通过气相反应沉积出固态物质 ，因此把CVD技术用于无机合成和材料制备时具有以下 特点： （1）沉积反应如在气固界面上发生则沉积物将按照原有 固态基底的形状包覆一层薄膜。 （2）涂层的化学成分可以随气相组成的改变而改变，从 而可获得梯度沉积物或得到混合镀层
• 从气相中析出的固体的形态主要有下列几种：在固体表 面上生成薄膜、晶须和晶粒，在气体中生成粒子。
p CVD技术的基本要求
• 为适应CVD技术的需要，选择原料、产物及反应类型 等通常应满足以下几点基本要求：
(1)反应剂在室温或不太高的温度下最好是气态或有较高 的蒸气压而易于挥发成蒸汽的液态或固态物质，且有 很高的纯度；
、射频（RF）、微波（MW）或电子回旋共振（ECR）等方 法实现气体辉光放电在沉积反应器中产生等离子体。 • 由于等离子体中正离子、电子和中性反应分子相互碰撞，可 以大大降低沉积温度，例如硅烷和氨气的反应在通常条件下 ，约在850℃左右反应并沉积氮化硅，但在等离子体增强反 应的条件下，只需在350℃左右就可以生成氮化硅。
• 与热分解法比，化学合成反应沉积的应用更为广泛。因为 可用于热分解沉积的化合物并不很多，而无机材料原则上 都可以通过合适的反应合成得到。
(4)化学输运反应沉积 • 把所需要沉积的物质作为源物质，使之与适当的气体介
质发生反应并形成一种气态化合物。这种气态化合物经 化学迁移或物理载带而输运到与源区温度不同的沉积区 ，再发生逆向反应生成源物质而沉积出来。这样的沉积 过程称为化学输运反应沉积。 • 其中的气体介质成为输运剂，所形成的气态化合物称为 输运形式。