第2章薄膜沉积的化学方法剖析

上传人:今*** 文档编号:107860853 上传时间:2019-10-21 格式:PPT 页数:38 大小:3.16MB
返回 下载 相关 举报
第2章薄膜沉积的化学方法剖析_第1页
第1页 / 共38页
第2章薄膜沉积的化学方法剖析_第2页
第2页 / 共38页
第2章薄膜沉积的化学方法剖析_第3页
第3页 / 共38页
第2章薄膜沉积的化学方法剖析_第4页
第4页 / 共38页
第2章薄膜沉积的化学方法剖析_第5页
第5页 / 共38页
点击查看更多>>
资源描述

《第2章薄膜沉积的化学方法剖析》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第2章薄膜沉积的化学方法剖析(38页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。

1、薄膜材料与技术 Thin Film Materials & Technologies,武涛 副教授 2012年 秋季学期,2 薄膜沉积的化学方法,概 念:薄膜制备过程中,凡是需要在一定化学反应发生的前提下完成薄膜制备的 技术方法,统称为薄膜沉积的化学方法。 条 件:化学反应需要能量输入和诱发 优、缺点:设备简单、成本较低、甚至无需真空环境即可进行; 化学制备、工艺控制复杂、有可能涉及高温环境。 分 类:,2 薄膜沉积的化学方法,2.1 热生长,概 念:指在充气环境下,通过加热基片的方式 直接获得氧化物、氮化物或碳化物薄膜 的方法。 特 点:非常用技术 主要用于生长金属或半导体的氧化物薄膜 设

2、备:通常在传统的氧化炉中进行。 主要应用:制备SiO2薄膜(用于Si器件制备) 有用的薄膜性质: 生长与沉积的区别:,热生长设备及原理示意图,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD,Chemical Vapor Deposition),概 念:气态反应物在一定条件下,通过化学反应,将反应形成的固相产物沉积于基片表面, 形成固态薄膜的方法。 基本特征:由反应气体通过化学反应沉积实现薄膜制备! 设备的基本构成: 气体输运 气相反应 去除副产品 (薄膜沉积),2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD,Chemical Vapor Deposition),化学反应的主控参数:

3、,主要应用场合:,主要优势:1)能形成多种金属、非金属和化合物薄膜; 2)组分易于控制,易获得理想化学计量比,薄膜纯度高; 3)成膜速度快、工效高(沉积速率 PVD、单炉处理批量大); 4)沉积温度高、薄膜致密、结晶完整、表面平滑、内部残余应力低; 5)沉积绕射性好,可在复杂不规则表面(深孔、大台阶)沉积; 主要缺点:1)沉积温度高,热影响显著,有时甚至具有破坏性; 2)存在基片-气氛、设备-气氛间反应,影响基片及设备性能及寿命; 3)设备复杂,工艺控制难度较大。,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.1 CVD的主要化学反应类型,一、热解反应:薄膜由气体反应物的热分

4、解产物沉积而成。 1)反应气体:氢化物、羰基化合物、有机金属化合物等。 2)典型反应: 硅烷沉积多晶Si和非晶Si薄膜: SiH4 (g) Si (s) + 2H2 (g) 6501100 羰基金属化合物低温沉积稀有金属薄膜: Ni(CO)4 (g) Ni (s) + 4CO (g) 140240 Pt(CO)2Cl2 (g) Pt (s) + 2CO (g) + Cl2 (g) 600 有机金属化合物沉积高熔点陶瓷薄膜: 2Al(OC3H7)3 (g) Al2O3(s)+6C3H6(g)+3H2O(g) 420 异丙醇铝 Tm2050 丙烯 单氨络合物制备氮化物薄膜: AlCl3NH3 (g

5、) AlN (s) + 3HCl (g) 800-1000,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.1 CVD的主要化学反应类型,二、还原反应:薄膜由气体反应物的还原反应产物沉积而成。 1)反应气体:热稳定性较好的卤化物、羟基化合物、卤氧化物等 + 还原性气体。 2)典型反应: H2还原SiCl4外延制备单晶Si薄膜: SiCl4 (g) + 2H2 (g) Si (s) + 4HCl (g) 1200 六氟化物低温制备难熔金属W、Mo薄膜: WF6 (g) + 3H2 (g) W (s) + 6HF (g) 300 Tm3380,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气

6、相沉积(CVD) 2.2.1 CVD的主要化学反应类型,三、氧化反应:薄膜由气体氧化反应产物沉积而成。 1)反应气体:氧化性气氛(如:O2)+ 其它化合物气体。 2)典型反应: 制备SiO2薄膜的两种方法: SiH4 (g) + O2 (g) SiO2 (s) + 2H2 (g) 450 SiCl4 (g) + 2H2 (g) + O2 (g) SiO2 (s) + 4HCl (g) 1500,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.1 CVD的主要化学反应类型,四、置换反应:薄膜由置换反应生成的碳化物、氮化物、硼化物沉积而成。 1)反应气体:卤化物 + 碳、氮、硼的氢

7、化物气体。 2)典型反应: 硅烷、甲烷置换反应制备碳化硅薄膜: SiCl4(g) + CH4(g) SiC(s) + 4HCl(g) 1400 二氯硅烷与氨气反应沉积氮化硅薄膜: 3SiCl2H2(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 6H2(g) + 6HCl(g) 750 四氯化钛、甲烷置换反应制备碳化钛薄膜: TiCl4(g) + CH4(g) TiC(s) + 4HCl(g),2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.1 CVD的主要化学反应类型,五、歧化反应: 对具有多种气态化合物的气体,可在一定条件下促使一种化合物转变为 另一种更稳定的化合物,同时形

8、成薄膜。 1)反应气体:可发生歧化分解反应的化合物气体。 2)典型反应: 二碘化锗(GeI2)歧化分解沉积纯Ge薄膜: 2GeI2(g) Ge(s) + GeI4(g) 300600,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.1 CVD的主要化学反应类型,六、输运反应:把需要沉积的物质当作源物质(不具挥发性), 借助于适当的气体介质与之反应而形成一种气态化合物, 这种气态化合物再被输运到与源区温度不同的沉积区, 并在基片上发生逆向反应,从而获得高纯源物质薄膜的沉积。 1)反应气体:固态源物质 + 卤族气体。 2)典型反应: 锗(Ge)与碘(I2)的输运反应沉积高纯Ge薄膜

9、: (类似于Ti的碘化精炼过程):,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.2 CVD化学反应和沉积原理,一、反应过程【以TiCl4(g)+CH4(g)TiC(s)+4HCl(g)为例说明】 各种气体反应物流动进入扩散层; 第步(甲烷分解):CH4 C + H2 第步(Ti的还原):H2+TiCl4 Ti + HCl 第步(游离Ti、C原子化合形成TiC):Ti + C TiC,二、CVD形成薄膜的一般过程: 1)反应气体向基片表面扩散;2)反应物气体吸附到基片;3)反应物发生反应;4)反应产物表面析出、扩散、分离;5)反应产物向固相中扩散,形成固溶体、化合物。,注意:

10、 1)反应应在扩散层内进行,否则会生成气相均质核,固相产物会以粉末形态析出;,2)提高温度梯度和浓度梯度,可以提高新相的形核能力; 3)随析出温度提高,析出固相的形态一般按照下图所示序列变化:,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.3 CVD沉积装置,一、概述: 1)基本系统构成: 2)最关键的物理量: Why? 二者决定:薄膜沉积过程中的 进而决定获得的是 薄膜!,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.3 CVD沉积装置,一、概述: 3)分类:,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.3 CVD沉积装置,二、高温和低

11、温CVD装置: 1)选用原则: 2)高温CVD的加热装置:一般可分为电阻加热、感应加热和红外辐射加热三类。 a 电阻加热 b 感应加热 c 红外加热 典型的CVD加热装置示意图(课本 P147 图4.24),2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.3 CVD沉积装置,二、高温和低温CVD装置: 3)高温CVD装置:又可根据加热方式不同分为 两类。,a 热壁式(课本 P108 图4.1) b 冷壁式(课本 P146 图4.23) 反应室被整体加热 只加热样品台和基片(电加热 或 感应加热 常用) 典型的高温CVD装置示意图,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(C

12、VD) 2.2.3 CVD沉积装置,二、高温和低温CVD装置: 4)中、低温CVD装置:利用 激活反应 具体沉积装置将结合PECVD、激光辅助CVD等后续内容详细介绍。 ?为什么需要引入低温CVD:器件引线用的Al材料与Si衬底在 T 450后会发生化学反应! 为避免破坏半导体器件的结构和功能,要求 T 500! !低温CVD的主要应用场合:用于制备各类绝缘介质薄膜,如SiO2、Si3N4等。,三、低压CVD(Low Pressure CVD,LPCVD)装置: 1)与常压CVD的区别:工作在真空下 需真空系统! 2)优点:沉积速率高、厚度均匀性好、薄膜致密、 污染几率小(一般样品垂直于气流方

13、向摆放) 3)低压的作用: Dg(103)、vg(10102)、 界面层厚度(不利) 总体效果: 沉积速率(10)!,低压CVD装置示意图(课本P148 图4.25) (P 1 atm,可低至 102 Pa左右),2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.3 CVD沉积装置,四、激光辅助CVD装置:用激光作为辅助激发手段,促进或控制CVD过程的进行。 1)激光的特点:能量集中、单色性好、方向性好 2)激光的作用: 3)主要优势: 反应迅速集中、无污染; 能量高度集中、浓度梯度和温度梯度大、成核生长好; 对参与反应物和沉积方向性具有选择能力; 沉积速率很高,基片整体温升很小(50的衬底温度下既可实现SiO2薄膜的沉积!),激光辅助CVD装置示意图,2 薄膜沉积的化学方法,2.2 化学气相沉积(CVD) 2.2.3 CVD沉积装置,五、光化学气相沉积装置:用高能光子有选择地激发表面吸附分子或气体分子而导致键断裂, 从而产生自由化学粒子直接成膜或在基片上形成化合物沉积。 1)主要活化机制:直接光致分解、汞敏化诱发分解等。 2)主要控制因素: 光的波长(光子能量) 控制气相的分解和形

展开阅读全文
相关资源
相关搜索

当前位置:首页 > 高等教育 > 大学课件

电脑版 |金锄头文库版权所有
经营许可证:蜀ICP备13022795号 | 川公网安备 51140202000112号