薄膜物理與技術(shù)5-1課件.ppt

1、5.1化學(xué)氣相沉積的基本原理,班級：XX級材料一班 學(xué)號:XX30140526 姓名：X剛,本節(jié)主要內(nèi)容,CVD反應(yīng)類型,化學(xué)氣相沉積（CVD） Chemical Vapor Deposition,化學(xué)氣相沉積（CVD）是一種化學(xué)氣相生長法。 把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物的單質(zhì)氣體供給基片，利用加熱、等離子體、紫外光以及激光等能源，借助氣相作用或在基板表面的化學(xué)反應(yīng)（熱分解或化學(xué)合成）生長形成固態(tài)的薄膜。,CVD法可制備薄膜、粉末、纖維等材料，用于很多領(lǐng)域，如半導(dǎo)體工業(yè)、電子器件、光子及光電子工業(yè)等。,CVD可以制備單晶、多相或非晶態(tài)無機(jī)薄膜,CVD技術(shù)分類:按淀積溫度：低溫（2005

2、00）、中溫（500 1000）和高溫（1000 1300） 按反應(yīng)器內(nèi)的壓力：常壓和低壓 按反應(yīng)器壁的溫度：熱壁和冷壁 按反應(yīng)激活方式：熱激活和冷激活,CVD裝置的主要部分：反應(yīng)氣體輸入部分、反應(yīng)激活能源供應(yīng)部分和氣體排出部分。,化學(xué)氣相沉積基本原理,化學(xué)氣相沉積的基本原理是以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ),化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)物質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)在基片表面形成固態(tài)薄膜的一種成膜技術(shù)。 化學(xué)氣相沉積（CVD） Chemical Vapor Deposition CVD反應(yīng)是指反應(yīng)物為氣體而生成物之一為固體的化學(xué)反應(yīng)。 CVD完全不同于物理氣相沉積（PVD）,化學(xué)氣相沉積基本原理,CVD和PVD,通常有 以下幾

3、種類型的CVD反應(yīng),（1）化學(xué)反應(yīng)的自由能變化 按熱力學(xué)原理，化學(xué)反應(yīng)的自由能變化Gr可以用反應(yīng)物和生成物的標(biāo)準(zhǔn)自由能Gf來計算，即,對于化學(xué)反應(yīng) aA+bB=cC 其自由能變化 Gr=cGc-bGb-aGa,化學(xué)氣相沉積基本原理,化學(xué)氣相沉積基本原理,與反應(yīng)系統(tǒng)的化學(xué)平衡常數(shù)K有關(guān),例：熱分解反應(yīng),反應(yīng)物過飽和而產(chǎn)物欠飽和時，Gr0, 反應(yīng)可正向進(jìn)行，反之，沿反向進(jìn)行。,化學(xué)氣相沉積基本原理,反應(yīng)方向判據(jù)：,可以確定反應(yīng)溫度。,化學(xué)氣相沉積基本原理,CVD法制備薄膜過程描述（四個階段）,（1）反應(yīng)氣體向基片表面擴(kuò)散； （2）反應(yīng)氣體吸附于基片表面； （3）在基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； （4）在基

4、片表面產(chǎn)生的氣相副產(chǎn)物脫離表面，向空間擴(kuò)散或被抽氣系統(tǒng)抽走； （5）基片表面留下不揮發(fā)的固相反應(yīng)產(chǎn)物薄膜。,CVD基本原理包括：反應(yīng)化學(xué)、熱力學(xué)、動力學(xué)、輸運(yùn)過程、薄膜成核與生長、反應(yīng)器工程等學(xué)科領(lǐng)域。,化學(xué)氣相沉積基本原理,最常見的幾種CVD反應(yīng)類型有：熱分解反應(yīng)、化學(xué)合成、化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng),熱分解反應(yīng)（吸熱反應(yīng)，單一氣源）,通式：,主要問題是源物質(zhì)的選擇（固相產(chǎn)物與薄膜材料相同）和確定分解溫度。,該方法在簡單的單溫區(qū)爐中，在真空或惰性氣體保護(hù)下加熱基體至所需溫度后，導(dǎo)入反應(yīng)物氣體使之發(fā)生熱分解，最后在基體上沉積出固體涂層。,（1）氫化物,H-H鍵能小，熱分解溫度低，產(chǎn)物無腐蝕性。,（2）金屬有

5、機(jī)化合物,M-C鍵能小于C-C鍵，廣泛用于沉積金屬和氧化物薄膜。 金屬有機(jī)化合物的分解溫度非常低，擴(kuò)大了基片選擇范圍以及避免了基片變形問題。,化學(xué)氣相沉積基本原理,三異丙氧基鋁,化學(xué)氣相沉積基本原理,（3）氫化物和金屬有機(jī)化合物系統(tǒng),廣泛用于制備化合物半導(dǎo)體薄膜。,（4）其它氣態(tài)絡(luò)合物、復(fù)合物（貴金屬、過渡金屬沉積）,羰基化合物：,單氨絡(luò)合物：,化學(xué)氣相沉積基本原理,化學(xué)合成反應(yīng)（兩種或兩種以上氣源）,化學(xué)合成反應(yīng)是指兩種或兩種以上的氣態(tài)反應(yīng)物在熱基片上發(fā)生的相互反應(yīng)。,(1) 最常用的是氫氣還原鹵化物來制備各種金屬或半導(dǎo)體薄膜。 (2) 選用合適的氫化物、鹵化物或金屬有機(jī)化合物來制備各種介質(zhì)

6、薄膜。 化學(xué)合成反應(yīng)法比熱分解法的應(yīng)用范圍更加廣泛。 可以制備單晶、多晶和非晶薄膜。容易進(jìn)行摻雜。,化學(xué)氣相沉積基本原理,還原或置換反應(yīng),氧化或氮化反應(yīng),水解反應(yīng),原則上可制備任一種無機(jī)薄膜。,化學(xué)氣相沉積基本原理,化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng),將薄膜物質(zhì)作為源物質(zhì)（無揮發(fā)性物質(zhì)），借助適當(dāng)?shù)臍怏w介質(zhì)（輸運(yùn)劑）與之反應(yīng)而形成氣態(tài)化合物，這種氣態(tài)化合物經(jīng)過化學(xué)遷移或物理輸運(yùn)到與源區(qū)溫度不同的沉積區(qū)，在基片上再通過逆反應(yīng)使源物質(zhì)重新分解出來，這種反應(yīng)過程稱為化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)。,源區(qū),沉積區(qū),源區(qū),沉積區(qū),源區(qū),沉積區(qū),化學(xué)氣相沉積基本原理,化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)條件：,不能太大； 平衡常數(shù)KP接近于1。,化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)判據(jù)：,設(shè)源為A（固態(tài)），輸運(yùn)劑為XB(氣體化合物，輸運(yùn)反應(yīng)通式為：,源區(qū),沉積區(qū),根據(jù)熱力學(xué)分析可以指導(dǎo)選擇化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，估計輸運(yùn)溫度。 首先根據(jù)選擇的反應(yīng)體系，確定 與溫度的關(guān)系，選擇 的反應(yīng)體系。如果條件滿足，說明所選反應(yīng)體系是合適的。 大于0的溫度T1（源區(qū)溫度）；