气相沉积技术课件

1、气相沉积技术课件1物理学院物理学院2021年年10月月低维材料制备技术气相沉积技术课件2气相沉积技术课件3气相沉积技术课件4气相沉积技术课件5气相沉积技术课件6Magic Number and Shell Structure1) Particle orderInert atom clusters, such as Ar, Kr, XeMagic numbers are 1, 13, 55, 147, 309, 561 气相沉积技术课件7Mackay 二十面体堆积气相沉积技术课件82) Mixed particle and wave ordersCovalent element clusters

2、, such as Si, Ge, CMagic number for Si, seems like 6, 10Sphere-stick modelAn more interesting example is C60Molecular orbital calculation gives its energy levelsOther larger cage structures C70, C84, C540, C9603) Wave orderSimple metal clusters, such as Na, KClusters of 2, 8, 20, 40, 58 atoms are st

3、ablevalence electrons form an ordered quantum stateThe electrons quantize and decide the variations in stability气相沉积技术课件9Na团簇的丰度谱。上图为实验结果，下图为理论计算的能量二级差分气相沉积技术课件10 气相沉积技术课件11气相沉积技术课件12气相沉积技术课件13气相沉积技术课件14为膜料的相对分子量时的材料饱和蒸汽压为温度度，为蒸发表面的热力学温rsrsATpTTApGK103843m/.气相沉积技术课件153224)(rhhmt气相沉积技术课件16气相沉积技术课件17气

4、相沉积技术课件18气相沉积技术课件19气相沉积技术课件20气相沉积技术课件21气相沉积技术课件22气相沉积技术课件23气相沉积技术课件24气相沉积技术课件25气相沉积技术课件26气相沉积技术课件27气相沉积技术课件28在基板背面设置一个加热器，加热基板，使基板保持在基板背面设置一个加热器，加热基板，使基板保持适当的温度，这既净化了基板，又使膜和基体之间形适当的温度，这既净化了基板，又使膜和基体之间形成一薄层的扩散层，增大了附着力；成一薄层的扩散层，增大了附着力；对于蒸镀对于蒸镀Au这样附着力弱的金属，可以先蒸镀这样附着力弱的金属，可以先蒸镀Cr，Al等结合力高的薄膜作底层。等结合力高的薄膜作底

5、层。真空蒸镀时，蒸发粒子动能为真空蒸镀时，蒸发粒子动能为0.11.0ev，膜对基，膜对基体的附着力较弱。体的附着力较弱。解决措施解决措施气相沉积技术课件29气相沉积技术课件30气相沉积技术课件31气相沉积技术课件32气相沉积技术课件33气相沉积技术课件34气相沉积技术课件35气相沉积技术课件36气相沉积技术课件37：气相沉积技术课件38气相沉积技术课件39气相沉积技术课件40气相沉积技术课件41：气相沉积技术课件42气相沉积技术课件43气相沉积技术课件44气相沉积技术课件45气相沉积技术课件46气相沉积技术课件47气相沉积技术课件48气相沉积技术课件49气相沉积技术课件50气相沉积技术课件51

6、气相沉积技术课件52气相沉积技术课件53气相沉积技术课件54延长电子飞向阳极的行程。其目的是让延长电子飞向阳极的行程。其目的是让电子尽可能多产生几次碰撞电离，从而电子尽可能多产生几次碰撞电离，从而增加等离子体密度，提高溅射效率。增加等离子体密度，提高溅射效率。环形磁场的环形磁场的目的目的抑制由靶产生的高速电子对基片的轰击，抑制由靶产生的高速电子对基片的轰击，避免基片温度升高。避免基片温度升高。气相沉积技术课件55气相沉积技术课件56气相沉积技术课件57气相沉积技术课件58气相沉积技术课件59% 磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级%

7、高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，电离产生的正高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，电子与气体原子的碰撞几率离子能十分有效地轰击靶面，电子与气体原子的碰撞几率高，因此气体离化率大大增加。高，因此气体离化率大大增加。J 能量较低的二次电子在靠近靶的封闭等离子体中作循环运能量较低的二次电子在靠近靶的封闭等离子体中作循环运动，路程足够长，每个电子使原子电离的机会增加，而且动，路程足够长，每个电子使原子电离的机会增加，而且只有在电子的能量耗尽以后才能脱离靶表面落在阳极上，只有在电子的能量耗尽以后才能脱离靶表面落在阳极上，这是基片温升低、损伤小的主要原因。这是基

8、片温升低、损伤小的主要原因。气相沉积技术课件60气相沉积技术课件61=在阴极溅射中，真空槽中需要充入气体作为媒介，使辉光在阴极溅射中，真空槽中需要充入气体作为媒介，使辉光放电得以启动和维持。最常用的气体是氩气。放电得以启动和维持。最常用的气体是氩气。=如果在通入的气体中掺入易与靶材发生反应的气体（如如果在通入的气体中掺入易与靶材发生反应的气体（如O2，N2等），因而能沉积制得靶材的化合物膜（如靶材氧化物，等），因而能沉积制得靶材的化合物膜（如靶材氧化物，氮化物等化合物薄膜）。氮化物等化合物薄膜）。气相沉积技术课件62气相沉积技术课件63气相沉积技术课件64气相沉积技术课件65气相沉积技术课件6

9、6气相沉积技术课件67气相沉积技术课件68气相沉积技术课件69气相沉积技术课件70气相沉积技术课件71气相沉积技术课件72 气相沉积技术课件73(1) 热分解反应：热分解反应： SiH4 Si + 2H2 (2) 还原反应：还原反应： SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl (3) 氧化反应：氧化反应： SiH4 + O2 SiO2 + 2H2(4) 水解反应：水解反应： 2AlCl33CO23H2 Al2O36HCl3CO (5) 氮化反应或氨解反应：氮化反应或氨解反应： 3SiH4 4NH3 Si3N4 12H2 气相沉积技术课件74(6) 碳化反应：碳化反应： TiCl4 CH4 T

10、iC 4HCl (7) 歧化反应：歧化反应： 2SiI2 Si SiI4 (8) 合成反应：合成反应： (CH3)3Ga AsH3 GaAs 3CH4 (9) 基体反应：基体反应： Ti 2BCl3 3H2 TiB2 6HCl 气相沉积技术课件75(10) 等离子体激发反应：等离子体激发反应： 用等离子体放电使反应气体活化，可以在较用等离子体放电使反应气体活化，可以在较低温度下成膜。低温度下成膜。(11) 光激发反应：光激发反应： 如在如在SiH-O2反应系中使用水银蒸气为感光物反应系中使用水银蒸气为感光物质，用紫外线照射，可在质，用紫外线照射，可在100左右制备硅左右制备硅氧化物。氧化物。(

11、12) 激光激发反应：激光激发反应： 如有机金属化合物在激光激发下有如有机金属化合物在激光激发下有 W(CO)6 W + 6CO 气相沉积技术课件76反应气体扩散至工件表面；反应气体扩散至工件表面； 1 1反应气体分子被基材表面吸附；反应气体分子被基材表面吸附； 2 2在基材表面产生化学反应，形核等；在基材表面产生化学反应，形核等； 3 3生成物由表面解吸；生成物由表面解吸； 4 4生成物从基材表面扩散离开。生成物从基材表面扩散离开。 5 5气相沉积技术课件77 在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体；相化学反应而沉积固体；

12、 可以在大气压可以在大气压(常压常压)或者低于大气压或者低于大气压(低压低压)下进行沉下进行沉积。一般说低压效果要好一些；积。一般说低压效果要好一些； 采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；应，使沉积可在较低的温度下进行； 镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得到混和镀层；者得到混和镀层；气相沉积技术课件78 可以控制镀层的密度和纯度；可以控制镀层的密度和纯度； 绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀制；料上镀制

13、； 气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层；边界层； 沉积层通常具有柱状晶结构，不耐弯曲。但通沉积层通常具有柱状晶结构，不耐弯曲。但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层；到细晶粒的等轴沉积层； 可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物层。可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物层。气相沉积技术课件79气相沉积技术课件80（1） MOCVD将将或或族金属有机化合物与族金属有机化合物与或或族元素的氢化物相族元素的氢化物相混合后通入反应腔，混合气体流经加热的衬底表面时，混合后通入反应腔，混合气体

14、流经加热的衬底表面时，在衬底表面发生热分解反应，并外延生长成化合物单晶在衬底表面发生热分解反应，并外延生长成化合物单晶薄膜。薄膜。气相沉积技术课件81(1) 气体操作系统气体操作系统(气体操作系统包括控制气体操作系统包括控制族金属有机源和族金属有机源和V族氢化物源的气族氢化物源的气流及其混合物所采用的所有的阀门、泵以及各种设备和管路流及其混合物所采用的所有的阀门、泵以及各种设备和管路(最重要的是对通入反应室进行反应的原材料的量进行精确控最重要的是对通入反应室进行反应的原材料的量进行精确控制的部分。主要包括对流量进行控制的质量流量控制计（制的部分。主要包括对流量进行控制的质量流量控制计（MFC）

15、，对压力进行控制的压力控制器（），对压力进行控制的压力控制器（PC）和对金属有）和对金属有机源实现温度控制的水浴恒温槽（机源实现温度控制的水浴恒温槽（Thormal Bath）。）。气相沉积技术课件82(2)反应室反应室u 反应室是反应室是MOCVD生长系统的核心组成部分，反应室的设计生长系统的核心组成部分，反应室的设计对生长的效果有至关重要的影响。对生长的效果有至关重要的影响。u 不同的不同的MOCVD设备的生产厂家对反应室的设计也有所不同。设备的生产厂家对反应室的设计也有所不同。但是，最终的目的是相同的，即避免在反应室中出现离壁射但是，最终的目的是相同的，即避免在反应室中出现离壁射流和湍流

16、的存在，保证只存在层流，从而实现在反应室内的流和湍流的存在，保证只存在层流，从而实现在反应室内的气流和温度的均匀分布，有利于大面积均匀生长。气流和温度的均匀分布，有利于大面积均匀生长。气相沉积技术课件83(3) 加热系统加热系统 MOCVD系统中衬底的加热方式主要有三种：射频加热，红系统中衬底的加热方式主要有三种：射频加热，红外辐射加热和电阻加热。外辐射加热和电阻加热。 在射频加热方式中，石墨的基座被射频线圈通过诱导耦合加在射频加热方式中，石墨的基座被射频线圈通过诱导耦合加热。这种加热形式在大型的反应室中经常采用，但是通常系热。这种加热形式在大型的反应室中经常采用，但是通常系统过于复杂。统过于

17、复杂。 为了避免系统的复杂性，在稍小的反应室中，通常采用红外为了避免系统的复杂性，在稍小的反应室中，通常采用红外辐射加热方式。卤钨灯产生的热能被转化为红外辐射能，石辐射加热方式。卤钨灯产生的热能被转化为红外辐射能，石墨的基座吸收这种辐射能并将其转化回热能。墨的基座吸收这种辐射能并将其转化回热能。 在电阻加热方式中，热能是由通过金属基座中的电流流动来在电阻加热方式中，热能是由通过金属基座中的电流流动来提供的。提供的。气相沉积技术课件84(4) 尾气处理系统尾气处理系统 由于由于MOCVD系统中所采用的大多数源均易燃易爆，其中的系统中所采用的大多数源均易燃易爆，其中的氢化物源又有剧毒，因此，必须对

18、反应过后的尾气进行处理。氢化物源又有剧毒，因此，必须对反应过后的尾气进行处理。 通常采用的处理方式是将尾气先通过微粒过滤器去除其中的通常采用的处理方式是将尾气先通过微粒过滤器去除其中的微粒（如微粒（如P等）后，再将其通入气体洗涤器（等）后，再将其通入气体洗涤器（Scrubber）采）采用解毒溶液进行解毒。用解毒溶液进行解毒。 另外一种解毒的方式是采用燃烧室。在燃烧室中包括一个高另外一种解毒的方式是采用燃烧室。在燃烧室中包括一个高温炉，可以在温炉，可以在9001000下，将尾气中的物质进行热解和下，将尾气中的物质进行热解和氧化，从而实现无害化。氧化，从而实现无害化。 反应生成的产物被淀积在石英管

19、的内壁上，可以很容易去除。反应生成的产物被淀积在石英管的内壁上，可以很容易去除。气相沉积技术课件85(沉积温度低沉积温度低(能沉积单晶、多晶、非晶的多层膜和超薄层、原子层薄膜能沉积单晶、多晶、非晶的多层膜和超薄层、原子层薄膜(可以大规模、低成本的制备复杂组分的薄膜和化合物半导体可以大规模、低成本的制备复杂组分的薄膜和化合物半导体材料材料(可以在不同的基材表面沉积可以在不同的基材表面沉积(用于生长化合物半导体材料的各组分和掺杂剂都是以气态的用于生长化合物半导体材料的各组分和掺杂剂都是以气态的方式通入反应室，因此，可以通过精确控制气态源的流量和方式通入反应室，因此，可以通过精确控制气态源的流量和通

20、断时间来控制外延层的组分、掺杂浓度、厚度等通断时间来控制外延层的组分、掺杂浓度、厚度等(使用较灵活，工艺通用性广。使用较灵活，工艺通用性广。气相沉积技术课件86（2） PECVDPECVD是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。PECVD技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品置

21、于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。薄膜。气相沉积技术课件87采用采用PECVD 技术制备薄膜材料时，薄膜的生长主要包含技术制备薄膜材料时，薄膜的生长主要包含以下三个基本过程：以下三个基本过程：气相沉积技术课件88vPECVDPECVD方法区别于其它方法区别于其它CVDCVD方法的特点在于等离子体中含有方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需大量高能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学