用化学气相沉积CVD法制备薄膜材料.ppt

1、用化学气相沉积法制备薄膜材料。演讲者：小琪的学术编号：2140120419，2，内容1化学气相沉积方法发展简史2化学气相沉积的基本概念和原理3化学气相沉积合成工艺4薄膜制造技术简介3，1化学气相沉积方法发展简史4化学气相沉积(化学气相沉积):通过使用各种能源如加热、等离子体激发或光辐射使气态或蒸气态的化学物质在反应器中的气相或气固界面发生化学反应形成固体沉积物的技术。简单地说，将两种或多种气态原料引入反应室，然后它们相互反应形成新的材料，该材料沉积在基底表面上。从气相中沉淀出来的固体的主要形式是：在固体表面形成薄膜、晶须和颗粒，在气体中形成颗粒。2化学气相沉积的基本概念和原理，5。化学气相沉积

2、技术要求：反应物优选为气态或液态或固态物质，具有高蒸气压，在室温或不太高的温度下容易挥发成蒸汽，纯度高；通过沉积反应很容易产生所需的材料沉积物，而其它副产物是挥发性的，并保留在气相中以供排放或易于分离；反应容易控制。6，化学气相沉积技术分类：根据沉积中是否有化学反应，物理气相沉积，化学气相沉积，7，常用的化学气相沉积技术：8，化学气相沉积技术的反应原理，热分解反应，氧化还原反应，化学合成反应，化学传输反应，等离子体增强反应，其他能量增强反应，氢化物分解：金属-有机化合物的热分解：氢化物和金属-有机化合物体系的热分解；其他气体复合物和化合物的热分解；10.氧化还原反应：某些元素的氢化物和有机烷基

3、化合物通常是气态或挥发性液体或固体。如果在化学气相沉积技术中同时引入氧，则在反应器中的氧化反应过程中将沉积对应于这些元素的氧化膜。氢还原法是制备高纯金属薄膜的一种好方法，工艺温度低，操作简单，具有很大的实用价值。11。化学合成反应：一种方法，其中两种或多种反应原料气体在沉积反应器中相互作用和合成，以获得所需的无机薄膜或其他材料。与热分解法相比，这种方法应用更广泛，因为可用于热分解沉积的化合物不多，并且原则上可通过合适的反应合成无机材料。化学输运反应：以待沉积的材料为源材料，使其与适当的气体介质反应，形成气态化合物。这种气态化合物通过化学迁移或物理载体被输送到与源区域具有不同温度的沉积区域，然后

4、反向反应生成源物质并被沉积。这种沉积过程称为化学传输反应沉积。还有一些原料不容易分解，但需要添加另一种材料(称为传输剂)来促进中间气态产物的形成。13、等离子体增强反应：在低真空条件下，利用射频、微波或电子回旋共振实现气体辉光放电，在沉积反应器中产生等离子体。由于正离子、电子和中性反应分子在等离子体中相互碰撞，沉积温度可以大大降低。例如，在正常条件下，硅烷与氨气在850左右反应沉积氮化硅，但在等离子体增强反应条件下，氮化硅只能在350左右生成。14。其他能源促进反应：其他能源如激光、火焰燃烧法和热线法也可用于促进反应沉积。15，3.1化学气相沉积合成生产工艺类型，3化学气相沉积合成工艺，化学气

5、相沉积装置通常由气源控制部件，沉积反应室，沉积温度控制部件，真空排气和压力控制部件等组成。任何化学气相沉积系统包括反应器、一组气体传输系统、排气系统和过程控制系统。一般来说，不同的沉积反应装置大致可分为大气压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、有机金属化学气相沉积(MOCVD)和激光化学气相沉积(LCVD)等。16、等离子体化学气相沉积是一种沉积方法，其中化学气相沉积反应在接近常压的压力下进行。等离子体化学气相沉积的操作压力接近1大气压(101325帕)。根据气体分子的平均自由直径，此时气体分子之间的碰撞频率很高，属于“气相反应”

6、，属于均匀成核，容易产生颗粒。1、大气压化学气相沉积(APCVD)，2、低压化学气相沉积(LPCVD)，LPCVD是当压力降低到约100托(1托=133.332帕)以下时的化学气相沉积反应。由于低压下分子平均自由程的增加，加快了气态反应物和副产物的传质速度，从而加快了形成沉积薄膜材料的反应速度，并能在短时间内消除气体分布的不均匀性，从而生长出厚度均匀的薄膜。17，PECVD通过辉光放电形成等离子体，增强化学反应并降低沉积温度。氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜和非晶硅膜可以在室温至350下沉积。在辉光放电低温等离子体中，“电子气体”的温度大约比普通气体分子的平均温度高10，100倍，也就是说，当反

7、应气体接近环境温度时，电子的能量足以破坏气体分子键并导致化学活性粒子(活化分子、离子、原子和其它基团)的产生， 从而由于反应气体的电活化，原本需要在高温下进行的化学反应可以在相对较低的温度下进行，也就是说，反应气体的化学键可以在低温下进行。 产生的活化分子和原子团相互反应，最终沉积形成薄膜。3.等离子体化学气相沉积，18。金属有机化学气相沉积(MOCVD)是一种化学气相沉积方法，使用在低温下容易分解和挥发的金属有机化合物作为源物质，主要用于化合物半导体的气相生长。在金属有机化学气相沉积工艺中，各种无机材料，如金属、氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和化合物半导体材料，在较低温度下，在热解或光解的作

8、用下，可以被金属有机源沉积。有机金属化学气相沉积是一种利用激光束的光子能量激发和促进化学反应的薄膜沉积方法。LCVD过程是激光分子与反应气体分子或衬里表面分子相互作用的过程。其机理可分为两种：激光热解沉积和激光光解沉积。5，激光化学气相沉积(LCVD)，19，3.2化学气相沉积合成生产设备，气相反应室的核心问题是使薄膜尽可能均匀。要求氧气能够及时地完全供应到基底表面，并且反应产物必须容易地取出。气相反应器有卧式、立式和圆柱形。1、气相反应室，常用的加热方法有电阻加热和感应加热；红外辐射加热可以通过聚焦加热进一步增强热效应，使基板或支架可以局部快速加热；激光加热是一种很有特色的加热方法，其特点是

9、将一小部分保持在衬底上以快速升温，并移动束斑以达到连续扫描加热的目的。2。加热方法，20。精确控制各种气体(如原料气、氧化剂、还原剂、载气等)的比例。)来制备高质量的薄膜。目前使用的监测元件主要由质量流量计和针阀组成。3.气体控制系统，化学气相沉积反应气体大多有毒或具有高度腐蚀性，因此只有经过处理后才能排放。通常，通过冷吸收或水洗、中和和反应后排放进行处理。随着全球环境的恶化和环境保护的要求，废气处理系统已经成为先进化学气相沉积设备中非常重要的组成部分。，4。废气处理系统，21。大气单晶外延和多晶薄膜沉积装置，筒式反应器可用于硅外延生长，每次2430个衬底，卧式反应器可用于硅外延生长，每次34

10、个衬底，立式反应器可用于硅外延生长，每次68个衬底，22。热壁等离子体化学气相沉积设备，通过垂直插入增加硅片容量，23。等离子体(b)是平行板结构器件。用温度控制装置将衬底放置在下板上，压力通常保持在大约133帕，并且在上下平行板之间施加射频电压，使得在上板和下板之间将发生电容耦合气体放电，并且将产生等离子体。它是一种等离子体化学气相沉积装置，在扩散炉中放置几块平行板，通过电容放电产生等离子体。它的设计主要是为了满足工厂生产的需要和增加炉子产量。24.金属有机化学气相沉积装置和设备的进一步改进主要包括三个方面：获得大面积、高均匀性的薄膜材料；最小化管道系统的死角，缩短气体开关的间隔时间，生长超

11、薄层和超晶格结构材料；该设备设计具有多功能性、灵活性和操作可变性，以满足各种要求。25，履带式大气压化学气相沉积设备，衬底硅晶片被放置在履带式夹具400上，并且当在气流下通过时被化学气相沉积膜覆盖。26，模块化多室化学气相沉积设备，筒式化学气相沉积反应设备，常用于硬质合金工具的表面涂层。它的优点是与合金刀具基体的形状关系不大，可以同时存放各种刀具，而且容器非常大，一次可以装几千件。反应器相互隔离，衬底硅片由机器人手在低压或真空下转移。因此，几个不同的薄膜沉积作业可以同时连续完成。27，影响化学气相沉积材料质量的因素：反应混合物的供应：通过实验选择最佳的反应物分压及其相对比例。沉积温度直接影响反

12、应体系的自由能，并决定反应的程度和方向。不同的沉积温度对涂层的微观结构和化学成分有直接影响。基材：当涂层和基材之间存在过渡层时，或者当基材和涂层之间的线膨胀系数差异相对较小时，涂层和基材牢固地结合在一起。系统中的总压和气体流速直接影响传输速率，从而影响生长层的质量。反应系统的因素：反应系统的密封性能、反应管和气体管道的材料以及反应管的结构对产品质量也有明显的影响。原料的纯度：原料的质量通常与原料(包括载气)的纯度有关。28，4化学气相沉积薄膜制造技术的介绍，4.1化学气相沉积薄膜制造工艺的描述(四个阶段)，(1)反应气体向衬底表面的扩散；(2)反应气体被吸附在衬底表面上；(3)衬底表面发生化学

13、反应；(4)在衬底表面上产生的气态副产物与表面分离，扩散到空间中或被泵送系统泵送走；(5)在衬底表面留下非挥发性固相反应产物膜。29、4.2化学气相沉积成膜技术的优缺点，即它可以制造金属薄膜和多元合金薄膜；化学气相沉积反应可在常压或低真空下进行，衍射性能好；该薄膜纯度高、致密性好、残余应力小、结晶好。薄膜生长温度低于材料的熔点。薄膜表面光滑；30、沉积所涉及的反应源和反应后的气体是易燃、易爆或有毒的，这就要求采取环保措施，有时还要求防腐；反应温度仍然太高，尽管它低于物质的熔点；工件温度高于PVD技术，限制了其应用。很难涂覆基底的局部表面，这不像PVD那样方便。，缺点，31，4.3等离子体化学气相沉积法制备纳米金刚石膜(实例)，32，33，原料：CH4，氩气，H2，N2，CO2反应原理：CH4 C H2，工艺：34，衬底表面预处理工艺对金刚石膜成核影响的研究，三种预处理方法的具体工艺参数，35，(a) 1 (b)不同预处理方法生长的衬底上金刚石膜的光学显微镜照片。结论：手工研磨和超声研磨相结合的预处理方法对促进基体表面成核、提高成核密度和减小晶粒尺寸的效果最为显著。36，2，反应气体的选择，以CH4氩H2为反应气源制备的金刚石薄膜，以CH4CO2H2为反应气源制备的金刚石薄膜，以CH4CO2氩为反应气源制备的金刚石薄膜，37，以CH4N2H2为