化學氣相沉積技術(shù)

關(guān)于化學氣相沉積技術(shù)目錄化學氣相沉積技術(shù)的基本概念

Ⅰ.化學氣相沉積技術(shù)的定義Ⅱ.化學氣相沉積技術(shù)的分類Ⅲ.化學氣相沉積技術(shù)的發(fā)展歷程Ⅳ.化學氣相沉積技術(shù)的基本原理化學氣相沉積技術(shù)的基本理論

Ⅰ.CVD技術(shù)Ⅱ.CVD制備材料的生長機制Ⅲ.化學氣相沉積的反應(yīng)過程CVD技術(shù)在實驗室的應(yīng)用

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化學氣相沉積技術(shù)的基本概念第3頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

化學氣相沉積技術(shù)（CVD）是一種材料表面改性技術(shù)。是把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物、單質(zhì)氣體供給基體，借助氣相作用或在基體表面上的化學反應(yīng)在基體上制得金屬或化合物薄膜的方法。它可以利用氣相間的反應(yīng),在不改變基體材料成分和不消弱基體材料強度的條件下,賦予材料表面一些特殊的性能。從氣相中析出的固體的形態(tài)主要有下列幾種：

⑴.在固體表面上生成薄膜、晶須和晶粒

⑵.在氣體中生成粒子化學氣相沉積技術(shù)的定義：第4頁,共29頁，2024年2月25日，星期天CVD技術(shù)低壓CVD（LPCVD）常壓CVD（APCVD））亞常壓CVD(SACVD)超高真空CVD(UHCVD)等離子體增強CVD(PECVD)高密度等離子體CVD(HDPCVD快熱CVD(RTCVD)金屬有機物CVD(MOCVD化學氣相沉積技術(shù)的分類第5頁,共29頁，2024年2月25日，星期天化學氣相沉積技術(shù)的發(fā)展歷程古人類在取暖或燒烤時在巖洞壁或巖石上的黑色碳層80年代低壓CVD成膜技術(shù)成為研究熱潮近年來PECVD、LPCVD等高速發(fā)展20世紀60-70年代用于集成電路20世紀50年代主要用于道具涂層第6頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

三個步驟1.產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)2.將揮發(fā)性物質(zhì)運到沉積區(qū)3.揮發(fā)性物質(zhì)在基體上發(fā)生化學反應(yīng)原理：CVD是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進行化學反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過程。第7頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

CVD是建立在化學反應(yīng)基礎(chǔ)上的，要制備特定性能材料首先要選定一個合理的沉積反應(yīng)。用于CVD技術(shù)的通常有如下所述六種反應(yīng)類型。第8頁,共29頁，2024年2月25日，星期天熱分解反應(yīng)氧化還原反應(yīng)化學合成反應(yīng)化學輸運反應(yīng)等離子增強反應(yīng)其他能源增強增強反應(yīng)第9頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

化學氣相沉積技術(shù)的基本理論第10頁,共29頁，2024年2月25日，星期天Ⅰ.CVD技術(shù)

CVD技術(shù)分為開管氣流法和封管氣流法兩種基本類型。

圖1開管系統(tǒng)和閉管系統(tǒng)的反應(yīng)室示意圖第11頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

以砷化鎵的外延生長為例，說明開管法的工作流程，該例子涉及的化學反應(yīng)：⒈開管氣流法

特點是反應(yīng)氣體混合物能夠連續(xù)補充,同時廢棄的反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出沉積室。

其主要由雙溫區(qū)開啟式電阻爐及控溫設(shè)備、反應(yīng)管、

載氣凈化及載帶導入系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。第12頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

同時，反應(yīng)器的類型多種多樣，按照不同劃分標準可以有不同的類型：⑴.開管法的反應(yīng)器分為三種，分別為立式、水平式、圓盤式和圓筒式.⑵.由反應(yīng)過程的要求不同，反應(yīng)器可分為單溫區(qū)、雙溫區(qū)和

多溫區(qū).

由上述分析，可以歸納出開管法的優(yōu)點：⑴.式樣容易放進和取出⑵.同一裝置可以反復多次使用⑶.沉積條件易于控制，結(jié)果易于重現(xiàn)第13頁,共29頁，2024年2月25日，星期天⒉封管氣流法

以ZnSe為例進行說明該方法，其中涉及到的反應(yīng)過程

這種反應(yīng)系統(tǒng)是把一定量的反應(yīng)物和適當?shù)幕w分別放在反應(yīng)器的兩端,管內(nèi)抽真空后充入一定量的輸運氣體,然后密封,再將反應(yīng)器置于雙溫區(qū)內(nèi),使反應(yīng)管內(nèi)形成一溫度梯度。第14頁,共29頁，2024年2月25日，星期天由上述分析，可以歸納出封管法的優(yōu)點：⑴.

可降低來自外界的污染⑵.不必連續(xù)抽氣即可保持真空⑶.原料轉(zhuǎn)化率高封管法也有其自身的局限性，有如下幾點：⑴.材料生長速率慢,不利于大批量生產(chǎn)⑵.有時反應(yīng)管只能使用一次,沉積成本較高⑶.管內(nèi)壓力測定困難,具有一定的危險性第15頁,共29頁，2024年2月25日，星期天Ⅱ.CVD制備材料的生長機制

合成材料主要是通過氣-液-固(VLS)機制和氣-固(VS)機制引導的。⑴.VLS生長機制

在所有的氣相法中，應(yīng)用VLS機制制備大量單晶納米材料和納米結(jié)構(gòu)應(yīng)該說是最成功的。VLS生長機制一般要求必須有催化劑(也稱為觸媒)的存在。VLS的生長過程如下：第16頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖2VLS生長機制示意圖第17頁,共29頁，2024年2月25日，星期天VLS生長機制的特點：①.具有很強的可控性與通用性.②.納米線不含有螺旋位錯.③.雜質(zhì)對于納米線生長至關(guān)重要，起到了生長促進劑(growthpromoter)的作用.④.在生長的納米線頂端附著有一個催化劑顆粒，并且，催化劑的尺寸很大程度上決定了所生長納米線的最終直徑，而反應(yīng)時間則是影響納米線長徑比的重要因素之一.⑤.納米線生長過程中，端部合金液滴的穩(wěn)定性是很重要的.第18頁,共29頁，2024年2月25日，星期天⑵.VS生長機制

該生長機制一般用來解釋無催化劑的晶須生長過程。生長中，反應(yīng)物蒸氣首先經(jīng)熱蒸發(fā)、化學分解或氣相反應(yīng)而產(chǎn)生，然后被載氣輸運到襯底上方，最終在襯底上沉積、生長成所需要的材料。VS的生長過程如下：NucleusVaporⅠⅡⅢ圖3VS生長機制示意圖第19頁,共29頁，2024年2月25日，星期天VS生長機制的特點：①.VS機制的雛形是指晶須端部含有一個螺旋位錯，這個螺旋位錯提供了生長的臺階，導致晶須的一維生長.②.在VS生長過程中氣相過飽和度是晶體生長的關(guān)鍵因素，并且決定著晶體生長的主要形貌:一般而言，很低的過飽和度對應(yīng)于熱力學平衡狀態(tài)下生長的完整晶體第20頁,共29頁，2024年2月25日，星期天較低的過飽和度有利于生長納米線稍高的過飽和度有利于生長納米帶再提高過飽和度，將有利于形成納米片當過飽和度較高時，可能會形成連續(xù)的薄膜過飽和度非常高，得到的是結(jié)晶不完全的物質(zhì)。第21頁,共29頁，2024年2月25日，星期天表1VLS與VS生長機制的對比表格有催化顆粒的存在并不需要催化劑的參與雜質(zhì)的參與對其生長有重要作用在端部無催化顆粒存在，因此產(chǎn)物的純度較高有很強的規(guī)律性，可控性好結(jié)構(gòu)形貌各異，不如VLS機制控制性強靈活度不大無生長促進劑的選擇所帶來的束縛，靈活性很大第22頁,共29頁，2024年2月25日，星期天Ⅲ.化學氣相沉積的反應(yīng)過程化學反應(yīng)可在襯底表面或襯底表面以外的空間進行。（1）反應(yīng)氣體向襯底表面擴散（2）反應(yīng)氣體被吸附于襯底表面（3）在表面進行化學反應(yīng)、表面移動、成核及膜生長（4）生成物從表面解吸（5）生成物在表面擴散在這些過程中反應(yīng)最慢的一步?jīng)Q定了反應(yīng)的沉積速率。第23頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖5CVD設(shè)備參考圖第24頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

自從1991年Iijima等發(fā)現(xiàn)納米碳管以來在許多科技領(lǐng)域，準一維納米材料的研究立刻引起了科學家們的極大關(guān)注。準一維納米材料，例如納米線、納米棒、納米管、納米纖維、納米晶須和納米帶等，是研究電子傳輸行為、光學特性和力學機械性能等物理性質(zhì)的尺寸和維度效應(yīng)的理想系統(tǒng)。正如2002年Appell在《Nature》雜志上撰文寫道:“納米線、納米棒,或稱之為納米晶須,不管人們怎么稱呼它們,它們都是納米技術(shù)中最熱門的研究對象?！?/p>

CVD技術(shù)在實驗室的應(yīng)用第25頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

準一維納米材料，特別是準一維氧化物半導體材料是納米材料領(lǐng)域的研究前沿之一。氧化物半導體是一類重要的功能材料，由于它們一般具有寬禁帶以及良好的物理化學穩(wěn)定性，所以被廣泛地應(yīng)用在透明電極、光波導、傳感器、壓電等領(lǐng)域。尤其是II-VI族金屬氧化物ZnO備受到關(guān)注，因為它具有大的禁帶寬度(3.37eV)和激子束縛能(60meV)，以及和GaN非常相似的晶體結(jié)構(gòu)，被認為是一種可以替代GaN的優(yōu)良半導體材料。而在合成準一維無機納米材料時,化學氣