文档介绍：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
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
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
化学气相沉积(CVD,Chemical Vapor Deposition)
化学反应的主控参数:
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
化学气相沉积(CVD)
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) 650~1100 ℃
■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) 140~240℃
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 Tm≈2050℃丙烯
■单氨络合物制备氮化物薄膜: AlCl3·NH3 (g) AlN (s) + 3HCl (g) 800-1000℃
2 薄膜沉积的化学方法
化学气相沉积(CVD)
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***化物低温制备难熔金属W、Mo薄膜: WF6 (g) + 3H2 (g) W (s) + 6HF (g) 300℃
Tm≈3380℃
2 薄膜沉积的化学方法
化学气相沉积(CVD)
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
化学气相沉积(CVD)
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) 300~600℃