化学气相沉积(CVD)技术.ppt

《化学气相沉积(CVD)技术.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第六讲薄膜材料的CVD方法PreparationofthinfilmsbyCVDmethods提要CVD过程中典型的化学反应CVD过程的热力学CVD过程的动力学CVD过程的数值模拟技术CVD薄膜沉积装置化学气相沉积（chemicalvapordeposition,CVD）是经由气态的先驱物，通过气相原子、分子间的化学反应，生成薄膜的技术手段化学气相沉积化学气相沉积的气压环境与PVD时不同，CVD过程的气压一般比较高（随需求不同而不同），因为较高的气压有助于提高薄膜的沉积速率。此时气体的流动状态多处于粘滞流状态气体分子的运动

2、路径不再是直线气体分子在衬底上的沉积几率不再是接近100%，而是取决于气压、温度、气体组成、气体激发状态、薄膜表面状态等多个因素这也决定了CVD薄膜可被均匀地涂覆在复杂零件的表面，而较少受到PVD时阴影效应的影响化学气相沉积的温度范围与PVD时不同，CVD过程的温度一般也比较高（随需求不同而不同），因为较高的温度有助于提高薄膜的沉积速率。此时高温可提供化学反应所需要的激活能化学反应不仅发生在薄膜表面,而且发生在所有温度条件合适的地方即使是在高温下,化学反应所涉及的过程也很复杂：化学反应方向、化学平衡、可逆反应等都是需要考虑

3、的因素化学气相沉积反应的类型热解反应如由SiH4热解沉积多晶Si和非晶Si的反应SiH4(g)Si(s)+2H2(g)(650C)和由羟基镍热解生成金属Ni薄膜的反应Ni(CO)4(g)Ni(s)+4CO(g)(180C)还原反应如利用H2还原SiCl4外延制备单晶硅薄膜的反应SiCl4(g)+2H2(g)Si(s)+4HCl(g)(1200C)和由六氟化物制备难熔金属W、Mo薄膜的反应WF6(g)+3H2(g)W(s)+6HF(g)(300C)化学气相沉积反应的类型氧化反应如利用O2作为氧化剂制备SiO2

4、薄膜的氧化反应SiH4(g)+O2(g)SiO2(s)+2H2(g)(450C)和由H2O作为氧化剂制备SiO2薄膜的氧化反应SiCl4(g)+2H2O(g)SiO2(s)+4HCl(g)(1500C)岐化反应如GeI2变价为另一种更稳定的化合物和Ge的反应2GeI2(g)Ge(s)+GeI4(g)(300600C)置换反应如不同化合物中的元素改变结合对象得到SiC的反应SiCl4(g)+CH4(g)SiC(s)+4HCl(g)(1400C)气相输运如将某一物质先在高温处升华2CdTe(s)2Cd(g)

5、+Te2(g)(T1,T2)然后使其在低温处冷凝的可逆反应显然，这实际上是一种利用物理现象的PVD过程，但它在设备、物质传输及反应的热力学、动力学分析方面却完全与CVD过程相类似化学气相沉积反应的类型就象沉积太阳能电池CdTe薄膜的密闭容器升华技术(Close-SpacedSublimation，CSS)制备(Ga,In)(As,P)半导体薄膜的CVD装置的示意图CVD沉积室CVD固态源CVD气体原料废气处理搀杂气体原料载气压力控制部分温度控制部分CVD薄膜的种类利用CVD方法制备的薄膜可以是：单质（包括金属、半导体，但多

6、数金属宜采用蒸发、溅射方法制备）化合物（如氧化物、硼化物、碳化物、硫化物、氮化物、III-V、II-VI化合物等）薄膜的微观结构可以是：多晶的薄膜单晶的薄膜非晶态的薄膜CVD过程热力学分析的作用CVD过程热力学分析的局限性反应的可能性并不能保证反应过程一定会高效率地发生，即它不能代替动力学方面的考虑但即使存在着局限性，热力学分析对于选择、确定、优化一个实际的CVD过程仍具有重要的意义CVD过程热力学分析的作用预测薄膜CVD反应的可能性、限度提供优化高温、可逆的CVD反应环境的途径CVD过程热力学分析的依据：物质的标准生成自

7、由能G随温度的变化G<0，即反应可沿正方向自发进行。反之，G>0，反应可沿反方向自发进行相应的元素更活泼复习:CVD过程的热力学其自由能的变化为ai为物质的活度，它相当于其有效浓度。G是反应的标准自由能变化。其中，a、b、c是反应物、反应产物的摩尔数。由此一般来讲,CVD过程的化学反应总可以简单地表达为由G，可确定CVD反应进行的方向。例:CVD过程的热力学考虑例如，考虑下述的薄膜沉积反应的可能性(4/3)Al+O2(2/3)Al2O3可据此对Al在1000C时的PVD蒸发过程中被氧化的可能性予以估计

8、。由于Al2O3和Al都是纯物质，其活度为1。同时，令p0表示氧的平衡分压，则有由G=-846kJ/mol，可得O2的平衡分压为p0=210-30Pa由于O2的活度值就等于其分压p，p>p0时,G<0,Al就可能氧化。因此:在技术上，尚不可能获得这样高的真空度。因而根据热力学的计算结果，Al在1