用化學(xué)氣相沉積CVD法制備薄膜材料.ppt

1、用化學(xué)氣相沉積法制備薄膜材料。演講者：小琪的學(xué)術(shù)編號：2140120419，2，內(nèi)容1化學(xué)氣相沉積方法發(fā)展簡史2化學(xué)氣相沉積的基本概念和原理3化學(xué)氣相沉積合成工藝4薄膜制造技術(shù)簡介3，1化學(xué)氣相沉積方法發(fā)展簡史4化學(xué)氣相沉積(化學(xué)氣相沉積):通過使用各種能源如加熱、等離子體激發(fā)或光輻射使氣態(tài)或蒸氣態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在反應(yīng)器中的氣相或氣固界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成固體沉積物的技術(shù)。簡單地說，將兩種或多種氣態(tài)原料引入反應(yīng)室，然后它們相互反應(yīng)形成新的材料，該材料沉積在基底表面上。從氣相中沉淀出來的固體的主要形式是：在固體表面形成薄膜、晶須和顆粒，在氣體中形成顆粒。2化學(xué)氣相沉積的基本概念和原理，5?；瘜W(xué)氣相沉積

2、技術(shù)要求：反應(yīng)物優(yōu)選為氣態(tài)或液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，具有高蒸氣壓，在室溫或不太高的溫度下容易揮發(fā)成蒸汽，純度高；通過沉積反應(yīng)很容易產(chǎn)生所需的材料沉積物，而其它副產(chǎn)物是揮發(fā)性的，并保留在氣相中以供排放或易于分離；反應(yīng)容易控制。6，化學(xué)氣相沉積技術(shù)分類：根據(jù)沉積中是否有化學(xué)反應(yīng)，物理氣相沉積，化學(xué)氣相沉積，7，常用的化學(xué)氣相沉積技術(shù)：8，化學(xué)氣相沉積技術(shù)的反應(yīng)原理，熱分解反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)，化學(xué)合成反應(yīng)，化學(xué)傳輸反應(yīng)，等離子體增強(qiáng)反應(yīng)，其他能量增強(qiáng)反應(yīng)，氫化物分解：金屬-有機(jī)化合物的熱分解：氫化物和金屬-有機(jī)化合物體系的熱分解；其他氣體復(fù)合物和化合物的熱分解；10.氧化還原反應(yīng)：某些元素的氫化物和有機(jī)烷基

3、化合物通常是氣態(tài)或揮發(fā)性液體或固體。如果在化學(xué)氣相沉積技術(shù)中同時(shí)引入氧，則在反應(yīng)器中的氧化反應(yīng)過程中將沉積對應(yīng)于這些元素的氧化膜。氫還原法是制備高純金屬薄膜的一種好方法，工藝溫度低，操作簡單，具有很大的實(shí)用價(jià)值。11?；瘜W(xué)合成反應(yīng)：一種方法，其中兩種或多種反應(yīng)原料氣體在沉積反應(yīng)器中相互作用和合成，以獲得所需的無機(jī)薄膜或其他材料。與熱分解法相比，這種方法應(yīng)用更廣泛，因?yàn)榭捎糜跓岱纸獬练e的化合物不多，并且原則上可通過合適的反應(yīng)合成無機(jī)材料?；瘜W(xué)輸運(yùn)反應(yīng)：以待沉積的材料為源材料，使其與適當(dāng)?shù)臍怏w介質(zhì)反應(yīng)，形成氣態(tài)化合物。這種氣態(tài)化合物通過化學(xué)遷移或物理載體被輸送到與源區(qū)域具有不同溫度的沉積區(qū)域，然后

4、反向反應(yīng)生成源物質(zhì)并被沉積。這種沉積過程稱為化學(xué)傳輸反應(yīng)沉積。還有一些原料不容易分解，但需要添加另一種材料(稱為傳輸劑)來促進(jìn)中間氣態(tài)產(chǎn)物的形成。13、等離子體增強(qiáng)反應(yīng)：在低真空條件下，利用射頻、微波或電子回旋共振實(shí)現(xiàn)氣體輝光放電，在沉積反應(yīng)器中產(chǎn)生等離子體。由于正離子、電子和中性反應(yīng)分子在等離子體中相互碰撞，沉積溫度可以大大降低。例如，在正常條件下，硅烷與氨氣在850左右反應(yīng)沉積氮化硅，但在等離子體增強(qiáng)反應(yīng)條件下，氮化硅只能在350左右生成。14。其他能源促進(jìn)反應(yīng)：其他能源如激光、火焰燃燒法和熱線法也可用于促進(jìn)反應(yīng)沉積。15，3.1化學(xué)氣相沉積合成生產(chǎn)工藝類型，3化學(xué)氣相沉積合成工藝，化學(xué)氣

5、相沉積裝置通常由氣源控制部件，沉積反應(yīng)室，沉積溫度控制部件，真空排氣和壓力控制部件等組成。任何化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)包括反應(yīng)器、一組氣體傳輸系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)。一般來說，不同的沉積反應(yīng)裝置大致可分為大氣壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)等。16、等離子體化學(xué)氣相沉積是一種沉積方法，其中化學(xué)氣相沉積反應(yīng)在接近常壓的壓力下進(jìn)行。等離子體化學(xué)氣相沉積的操作壓力接近1大氣壓(101325帕)。根據(jù)氣體分子的平均自由直徑，此時(shí)氣體分子之間的碰撞頻率很高，屬于“氣相反應(yīng)”

6、，屬于均勻成核，容易產(chǎn)生顆粒。1、大氣壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)，2、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)，LPCVD是當(dāng)壓力降低到約100托(1托=133.332帕)以下時(shí)的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)。由于低壓下分子平均自由程的增加，加快了氣態(tài)反應(yīng)物和副產(chǎn)物的傳質(zhì)速度，從而加快了形成沉積薄膜材料的反應(yīng)速度，并能在短時(shí)間內(nèi)消除氣體分布的不均勻性，從而生長出厚度均勻的薄膜。17，PECVD通過輝光放電形成等離子體，增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)并降低沉積溫度。氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜和非晶硅膜可以在室溫至350下沉積。在輝光放電低溫等離子體中，“電子氣體”的溫度大約比普通氣體分子的平均溫度高10，100倍，也就是說，當(dāng)反

7、應(yīng)氣體接近環(huán)境溫度時(shí)，電子的能量足以破壞氣體分子鍵并導(dǎo)致化學(xué)活性粒子(活化分子、離子、原子和其它基團(tuán))的產(chǎn)生， 從而由于反應(yīng)氣體的電活化，原本需要在高溫下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)可以在相對較低的溫度下進(jìn)行，也就是說，反應(yīng)氣體的化學(xué)鍵可以在低溫下進(jìn)行。 產(chǎn)生的活化分子和原子團(tuán)相互反應(yīng)，最終沉積形成薄膜。3.等離子體化學(xué)氣相沉積，18。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)是一種化學(xué)氣相沉積方法，使用在低溫下容易分解和揮發(fā)的金屬有機(jī)化合物作為源物質(zhì)，主要用于化合物半導(dǎo)體的氣相生長。在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝中，各種無機(jī)材料，如金屬、氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和化合物半導(dǎo)體材料，在較低溫度下，在熱解或光解的作

8、用下，可以被金屬有機(jī)源沉積。有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積是一種利用激光束的光子能量激發(fā)和促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的薄膜沉積方法。LCVD過程是激光分子與反應(yīng)氣體分子或襯里表面分子相互作用的過程。其機(jī)理可分為兩種：激光熱解沉積和激光光解沉積。5，激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)，19，3.2化學(xué)氣相沉積合成生產(chǎn)設(shè)備，氣相反應(yīng)室的核心問題是使薄膜盡可能均勻。要求氧氣能夠及時(shí)地完全供應(yīng)到基底表面，并且反應(yīng)產(chǎn)物必須容易地取出。氣相反應(yīng)器有臥式、立式和圓柱形。1、氣相反應(yīng)室，常用的加熱方法有電阻加熱和感應(yīng)加熱；紅外輻射加熱可以通過聚焦加熱進(jìn)一步增強(qiáng)熱效應(yīng)，使基板或支架可以局部快速加熱；激光加熱是一種很有特色的加熱方法，其特點(diǎn)是

9、將一小部分保持在襯底上以快速升溫，并移動束斑以達(dá)到連續(xù)掃描加熱的目的。2。加熱方法，20。精確控制各種氣體(如原料氣、氧化劑、還原劑、載氣等)的比例。)來制備高質(zhì)量的薄膜。目前使用的監(jiān)測元件主要由質(zhì)量流量計(jì)和針閥組成。3.氣體控制系統(tǒng)，化學(xué)氣相沉積反應(yīng)氣體大多有毒或具有高度腐蝕性，因此只有經(jīng)過處理后才能排放。通常，通過冷吸收或水洗、中和和反應(yīng)后排放進(jìn)行處理。隨著全球環(huán)境的惡化和環(huán)境保護(hù)的要求，廢氣處理系統(tǒng)已經(jīng)成為先進(jìn)化學(xué)氣相沉積設(shè)備中非常重要的組成部分。，4。廢氣處理系統(tǒng)，21。大氣單晶外延和多晶薄膜沉積裝置，筒式反應(yīng)器可用于硅外延生長，每次2430個(gè)襯底，臥式反應(yīng)器可用于硅外延生長，每次34

10、個(gè)襯底，立式反應(yīng)器可用于硅外延生長，每次68個(gè)襯底，22。熱壁等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備，通過垂直插入增加硅片容量，23。等離子體(b)是平行板結(jié)構(gòu)器件。用溫度控制裝置將襯底放置在下板上，壓力通常保持在大約133帕，并且在上下平行板之間施加射頻電壓，使得在上板和下板之間將發(fā)生電容耦合氣體放電，并且將產(chǎn)生等離子體。它是一種等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，在擴(kuò)散爐中放置幾塊平行板，通過電容放電產(chǎn)生等離子體。它的設(shè)計(jì)主要是為了滿足工廠生產(chǎn)的需要和增加爐子產(chǎn)量。24.金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積裝置和設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)主要包括三個(gè)方面：獲得大面積、高均勻性的薄膜材料；最小化管道系統(tǒng)的死角，縮短氣體開關(guān)的間隔時(shí)間，生長超

11、薄層和超晶格結(jié)構(gòu)材料；該設(shè)備設(shè)計(jì)具有多功能性、靈活性和操作可變性，以滿足各種要求。25，履帶式大氣壓化學(xué)氣相沉積設(shè)備，襯底硅晶片被放置在履帶式夾具400上，并且當(dāng)在氣流下通過時(shí)被化學(xué)氣相沉積膜覆蓋。26，模塊化多室化學(xué)氣相沉積設(shè)備，筒式化學(xué)氣相沉積反應(yīng)設(shè)備，常用于硬質(zhì)合金工具的表面涂層。它的優(yōu)點(diǎn)是與合金刀具基體的形狀關(guān)系不大，可以同時(shí)存放各種刀具，而且容器非常大，一次可以裝幾千件。反應(yīng)器相互隔離，襯底硅片由機(jī)器人手在低壓或真空下轉(zhuǎn)移。因此，幾個(gè)不同的薄膜沉積作業(yè)可以同時(shí)連續(xù)完成。27，影響化學(xué)氣相沉積材料質(zhì)量的因素：反應(yīng)混合物的供應(yīng)：通過實(shí)驗(yàn)選擇最佳的反應(yīng)物分壓及其相對比例。沉積溫度直接影響反

12、應(yīng)體系的自由能，并決定反應(yīng)的程度和方向。不同的沉積溫度對涂層的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分有直接影響?；模寒?dāng)涂層和基材之間存在過渡層時(shí)，或者當(dāng)基材和涂層之間的線膨脹系數(shù)差異相對較小時(shí)，涂層和基材牢固地結(jié)合在一起。系統(tǒng)中的總壓和氣體流速直接影響傳輸速率，從而影響生長層的質(zhì)量。反應(yīng)系統(tǒng)的因素：反應(yīng)系統(tǒng)的密封性能、反應(yīng)管和氣體管道的材料以及反應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品質(zhì)量也有明顯的影響。原料的純度：原料的質(zhì)量通常與原料(包括載氣)的純度有關(guān)。28，4化學(xué)氣相沉積薄膜制造技術(shù)的介紹，4.1化學(xué)氣相沉積薄膜制造工藝的描述(四個(gè)階段)，(1)反應(yīng)氣體向襯底表面的擴(kuò)散；(2)反應(yīng)氣體被吸附在襯底表面上；(3)襯底表面發(fā)生化學(xué)

13、反應(yīng)；(4)在襯底表面上產(chǎn)生的氣態(tài)副產(chǎn)物與表面分離，擴(kuò)散到空間中或被泵送系統(tǒng)泵送走；(5)在襯底表面留下非揮發(fā)性固相反應(yīng)產(chǎn)物膜。29、4.2化學(xué)氣相沉積成膜技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，即它可以制造金屬薄膜和多元合金薄膜；化學(xué)氣相沉積反應(yīng)可在常壓或低真空下進(jìn)行，衍射性能好；該薄膜純度高、致密性好、殘余應(yīng)力小、結(jié)晶好。薄膜生長溫度低于材料的熔點(diǎn)。薄膜表面光滑；30、沉積所涉及的反應(yīng)源和反應(yīng)后的氣體是易燃、易爆或有毒的，這就要求采取環(huán)保措施，有時(shí)還要求防腐；反應(yīng)溫度仍然太高，盡管它低于物質(zhì)的熔點(diǎn)；工件溫度高于PVD技術(shù)，限制了其應(yīng)用。很難涂覆基底的局部表面，這不像PVD那樣方便。，缺點(diǎn)，31，4.3等離子體化學(xué)氣相沉積法制備納米金剛石膜(實(shí)例)，32，33，原料：CH4，氬氣，H2，N2，CO2反應(yīng)原理：CH4 C H2，工藝：34，襯底表面預(yù)處理工藝對金剛石膜成核影響的研究，三種預(yù)處理方法的具體工藝參數(shù)，35，(a) 1 (b)不同預(yù)處理方法生長的襯底上金剛石膜的光學(xué)顯微鏡照片。結(jié)論：手工研磨和超聲研磨相結(jié)合的預(yù)處理方法對促進(jìn)基體表面成核、提高成核密度和減小晶粒尺寸的效果最為顯著。36，2，反應(yīng)氣體的選擇，以CH4氬H2為反應(yīng)氣源制備的金剛石薄膜，以CH4CO2H2為反應(yīng)氣源制備的金剛石薄膜，以CH4CO2氬為反應(yīng)氣源制備的金剛石薄膜，37，以CH4N2H2為