化学气相沉积(CVD)原理及其薄膜制备ppt课件

报告人：程士敏导师：李灿研究员,Seminar,化学气相沉积(CVD)原理及其薄膜制备,2008.05.27,1,CVD原理定义气态物种输运沉积过程热力学和动力学CVD技术分类CVD制备薄膜CVD技术的优缺点,概要,2,孟广耀，化学气相淀积与无机新材料，北京：科学出版社，1984,载气,载气,气态源,液态源,固态源,前驱物气体,气相输运,反应沉积,衬底,托架,卧式反应器,衬底,立式反应器,CVD(ChemicalVaporDeposition)是通过气态物质在气相或气固界面上发生反应生成固态粉体或薄膜材料的过程,3,K.L.Choy./ProgressinMaterialsScience48(2003)57170,实验室用典型CVD设备沉积SiC涂层装置简图,气相前驱体供给系统,化学气相沉积系统,排出气控制系统,4,气态物种的输运,热力学位的差异驱动力(压力差、分压或浓度梯度和温度梯度),气体分子定向流动、对流或扩散,气态反应物或生成物的转移,沉积速率、沉积机理和沉积层质量,5,开管气流系统中的质量输运水平反应管中的气流状态,层流和紊流通常用流体的雷诺数(Re)来判断、v、分别为流体的密度、线流速和粘度系数，d为圆管直径,临界雷诺数：RR上临紊流RR下临层流光滑圆管：R上临1200013000R下临19002000R上临取决于流动形状，特征长度，入口处和流动方向上的扰动,卧式硅外延反应器中气流模型,S.E.Brodshaw./Int.J.Electron.,21(1966)205;23(1967)381SchlichtingH.,“BoundaryLayerTheory”4th.ch.7,McGraw-HillBookCo.(1955).,附面层模型,层流,紊流,气流入口,6,滞流薄层模型气态组分从主气流向生长表面转移需通过附面层，气态组分通过附面层向生长表面转移一般是靠扩散进行。粒子流密度:质量转移系数:附面层厚度：平均附面层厚度：,开管气流系统中的质量输运气态组分向生长表面的转移,R.E.Treybel.,“Mass-TransferOperations”ch.3,McGraw-HillBookCo.(1955).,Pohlhauson更精确结果：,7,输运流量的计算,实例：热分解反应ABn(g)+C(g)=A(s)+nB(g)+C(g),气固界面热力学平衡：,粒子流密度:,物料守恒:,(粒子数厘米2秒),孟广耀，化学气相淀积与无机新材料，北京：科学出版社，1984,8,沉积过程热力学,CVD过程的热力学分析运用化学平衡计算，估算沉积系统中与某特定组分的固相处于平衡的气态物种的分压值，用以预言沉积的程度和各种反应参数对沉积过程的影响。,对于非动力学控制的过程，热力学分析可以定量描述沉积速率和沉积层组成，有助于了解沉积机制和选择最佳沉积条件,系统各物种间的化学反应和化学平衡方程式,计算机数值解法,各组分的平衡分压和固相组成,体系物料的质量守恒方程式,已有实验资料,沉积过程机理,优化沉积工艺参数,9,CVD：气固表面多相化学反应,.反应气体混合物向沉积区输运；.反应物由主气流向生长表面转移；.反应(和非反应)分子被表面吸附；.吸附物之间或吸附物与气态物种之间在表面或表面附近发生反应，形成成晶粒子和气体副产物，成晶粒子经表面扩散排入晶格点阵；.副产物分子从表面上解吸；.副产物由表面区向主气流空间扩散；.副产物和未反应的反应物，离开沉积区，从系统中排出。,2、6、7物质输运步骤,速率控制步骤,质量输运控制或质量转移控制,表面控制或化学动力学控制,进气控制或热力学控制,1进气步骤,3、4、5表面步骤,沉积过程动力学CVD研究的核心,10,沉积层生长速率、质量与沉积参数的关系规律,沉积过程速率控制机制,调整实验条件改进工艺状况,实验研究实验规律,原子和分子尺度推断材料沉积的表面过程,深化认识过程机理,沉积过程动力学,鉴别沉积过程控制机制的最有力的方法，就是实验测定生长参数(如温度、反应物分压、气体流速和衬底状况等)对沉积速率的影响,供质控制过程(热力学控制过程):分析沉积程度与沉积温度、反应剂分压的关系；扩散控制系统的分析对象是:沉积层厚度，均匀性和最佳效率等；动力学控制体系:从原子水平上描述确定沉积过程机理，优化最佳生长条件。,11,实验参量对过程控制机制和沉积速率的影响,实例：A(g)=C(s)+B(g),A向C表面转移；A在表面上反应，形成沉积物C和副产物B；B从表面扩散离去。,沉积速率：,沉积温度的影响,气体流速的影响,动力学控制,热力学控制,质量输运控制,12,CVD技术分类(沉积过程能量提供方式),K.L.Choy./ProgressinMaterialsScience48(2003)57170A.H.Mahan./SolarEnergyMaterialsSolarCells78(2003)299-327,热活化CVD(conventionalCVD,lowpressureCVD)等离子体增强CVD(plasmaenhancedCVD)光CVD(photo-assistedCVD)原子层沉积(atomiclayerepitaxy)金属有机CVD(metal-organicCVD)脉冲注入金属有机CVD(pulsedinjectionMOCVD)气溶胶CVD(aerosolassistedCVD)火焰CVD(flameassistedCVD)电化学CVD(electrochemicalVD)化学气相渗透(chemicalvaporinfiltration)热丝CVD(hot-wireCVD),13,1.基片架2.热电偶3.红外测温仪4.窗口5.喷嘴6.加热催化器7.接真空泵8.基片,PECVD装置示意图,HWCVD装置示意图,徐如人庞文琴，无机合成与制备化学，北京：高等教育出版社，2001郑伟涛，薄膜材料与薄膜技术，北京：化学工业出版社，2003,14,CVD技术的应用及薄膜制备,纳米材料纳米粒子，纳米管，纳米线,王豫，水恒勇，热处理，16（2001）1-4王福贞马文存，气相淀积应用技术，北京：机械工业出版社，2006,半导体(Si,Ge,IIIV,IIVI)绝缘体(SiO2,AlN,Si3N4)金属薄膜(W,Pt,Mo,Al,Cu)难溶陶瓷材料(TiB2,SiC,B4C,BN,TiN,Al2O3,ZrO2,MoSi2,diamond)铁电体，超导体，钙钛矿材料,切削工具，模具，半导体工业，耐磨机械，耐氧化、耐腐蚀，光学，新材料,薄膜涂层,Y.J.Lietal./JournalofCrystalGrowth260(2004)309315Landstrometal./J.Phys.Chem.B107(2003)11615-11621Vetriveletal./J.Phys.Chem.C111(2007)16211-16218Kaminsetal./Appl.Phys.Lett76(2000)562-564,15,氯硅烷氢还原(SiHCl3+H2=Si+3HCl)生产多晶硅装置简图,徐如人庞文琴，无机合成与制备化学，北京：高等教育出版社，2001,16,APCVD制备TiSe2薄膜,N.D.Boscher,I.P.Parkinetal./Chem.Vap.Deposition12(2006)5458,Reactor:horizontal-bedcold-wallAPCVDSubstrate:SiO2(50nm)precoatedfloatglassPrecursor:TiCl4,di-tert-butylselenideCarriergas:N2,17,APCVD制备MoSe2薄膜,solid-statelubricantcathodematerialforhighenergydensitybatteriesoneofthemostefficientsystemsforelectrochemicalsolarenergyconversion,N.D.Boscher,I.P.Parkinetal./Chem.Vap.Deposition12(2006)692698,18,LPCVD制备立方SiC薄膜,Reactor:LPCVD(1.3103Pa)Substrate:one-polishedSi(110)(1300)Precursor:SiH4,C3H8Carriergas:H2,H.W.Zheng,X.G.Lietal./CeramicsInternational34(2008)657660,highcrystallinity,19,J.HShin,R.A.Jones,G.S.Hwang,J.G.Ekerdtetal./J.AM.CHEM.SOC128(2006)16510-16511,LPCVD制备非晶RuP合金超薄膜,Microelectronicsapplications：CudiffusionbarrierandCuseedlayerThefirstCVDgrownbinarytransitionmetalphosphorusamorphousalloys,Reactor:cold-wallLPCVD(200mTorr)Substrate:SiO2(300)Precursor:cis-H2Ru(PMe3)4(Me=CH3)Carriergas:Ar,20,PECVD制备纳米晶金刚石薄膜,1140cm-1,1332cm-1,Reactor:HCEDCACVD(highcurrentextendedDCarcCVD0.801.50kPa)Substrate:WC(800850)Precursor:CH4,H2Carriergas:Ar,X.M.Mengetal./Vacuum82(2008)543546,21,MOCVD制备FeSn合金薄膜,anticorrosionprotectionsolarenergydevicesmagnetictape,Reactor:cold-walllamp-heatedMOCVD(0.06Torr)Substrate:n-typeSi(100)wafer(300420)Precursor:CpFe(CO)2(SnMe3),K.M.Chietal./Chem.Mater14(2002)2028-2032,22,HWCVD制备微晶TiO2薄膜,Reactor:singlechamberHot-WireCVD(66.5Pato266Pa)Substrate:QuartzandCorning1737glasses(500)Precursor:Ti(OC3H7)4Carriergas:Ar,T.Iidaetal./ThinSolidFilms516(2008)807809,grainsize4060nm,texturedstructure,23,可制备高度致密、高纯度材料沉积速率高且易控制，过程重现性好、薄膜结合力强布散能力好，能实现共形沉积可用前驱物广泛，可制备多种材料,有毒、腐蚀性及易燃易爆性气体的使用使用多元前驱物时，所制备材料的组成难准确控制真空设备成本高，沉积过程能量耗费较大,CVD技术的优缺点,王福贞马文存，气相淀积应用技术，北京：机械工业出版社，2006K.L.Choy./ProgressinMaterialsScience48(2003)57170,24,K.L.Choy./ProgressinMaterialsScience48(2003)57170S.E.Brodshaw./Int.J.Electron.,21(1966)205;23(1967)381SchlichtingH.,“BoundaryLayerTheory”4th.ch.7,McGraw-HillBookCo.(1955).R.E.Treybel.,“Mass-TransferOperations”ch.3,McGraw-HillBookCo.(1955).R.F.Lever./IBMJ.Res.Develop.,8(1965)460T.O.Sedgwick./J.Electrochem.Soc.,111(1964)1381Y.J.Lietal./JournalofCrystalGrowth260(2004)309315Landstrometal./J.Phys.Chem.B107(2003)11615-11621Vetriveletal./J.Phys.Chem.C111(2007)16211-16218Kaminsetal./Appl.Phys.Lett76(2000)562-564王豫，水恒勇，热处理，16（2001）1-4A.H.Mahan./SolarEnergyMaterialsSolarCells78(2003)299-327N.D.Boscher,I.P.Parkinetal./Chem.Vap.Deposition12(2006)5458N.D.Boscher,I.P.Parkinetal./Chem.Vap.Deposition12(2006)692698H.W.Zheng,X.G.Lietal./CeramicsInternational34(2008)657660J.HShin,R.A.Jones,G.S.Hwang,J.G.Ekerdtetal./J.AM.CHEM.SOC128(2006)16510-16511X.M.Mengetal./Vacuum82(2008)543546K.M.Chietal./Chem.Mater14(2002)2028-2032T.Iidaetal./ThinSolidFilms516(2008)807809,参考文献,25,参考文献,孟广耀，化学气相淀积与无机新材料，北京：科学出版社，1984徐如人庞文琴，无机合成与制备化学，北京：高等教育出版社，2001郑伟涛，薄膜材料与薄膜技术，北京：化学工业出版社，2003王福贞马文存，气相淀积应用技术，北京：机械工业出版社，2006,谢谢大家！,26,CVD背景,27,开管气流系统中