第9章 CVD在無機(jī)合成與材料制備中ppt課件.ppt

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1、第9章CVD在無機(jī)合成與材料制備中的應(yīng)用一、化學(xué)氣相沉積的簡(jiǎn)短歷史回顧二、化學(xué)氣相沉淀的技術(shù)原理三、化學(xué)氣相沉淀的技術(shù)裝置四、化學(xué)氣相沉淀合成工藝參數(shù)及過程控制一、化學(xué)氣相沉積的簡(jiǎn)短歷史回顧簡(jiǎn)而言之，就是兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi),然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到基片表面上。1.CVD(ChemicalVaporDeposition)定義化學(xué)氣相沉積:利用氣態(tài)或蒸氣態(tài)的物質(zhì)在氣相或氣固界面上反應(yīng)生成固態(tài)沉積物的技術(shù)。從氣相中析出的固體的形態(tài)主要有下列幾種：在固體表面上生成薄膜、晶須和晶粒，在氣體中生成粒子。物理氣相沉積：真空蒸發(fā)、離子鍍等2

2、0世紀(jì)60年代:JohnMBlocher：《Vapordeposition》VaporPlating根據(jù)沉積過程中主要依靠物理過程或化學(xué)過程劃分為化學(xué)氣相沉積：直接依靠氣體反應(yīng)（CVD）或依靠等離子體放電增強(qiáng)氣體反應(yīng)（PlasmaEhancedCVD,PECVD或PCVD）2.歷史的簡(jiǎn)短回顧古人類取暖或燒烤時(shí)熏在巖洞壁或巖石上的黑色碳層；中國(guó)古代煉丹術(shù)中的“升煉”，銀朱或丹砂；20世紀(jì)50年代現(xiàn)代CVD技術(shù)用于刀具涂層（碳化鎢為基材經(jīng)CVD氧化鋁、碳化鈦、氮化鈦）；60、70年代半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)、超純多晶硅；中國(guó)CVD技術(shù)生長(zhǎng)高溫超導(dǎo)體薄膜和CVD基礎(chǔ)理論方面取得了開創(chuàng)性成果

3、。Blocher在1987年稱贊中國(guó)的低壓CVD(LPCVD)模擬模型的信中說：“這樣的理論模型研究不僅僅在科學(xué)意義上增進(jìn)了這項(xiàng)工藝技術(shù)的基礎(chǔ)性了解，而且引導(dǎo)在微電子硅片工藝應(yīng)用中生產(chǎn)效率的顯著提高?！倍?、化學(xué)氣相沉積的技術(shù)原理CVD技術(shù)用于無機(jī)合成有以下特點(diǎn)：沉積反應(yīng)如在氣固界面上發(fā)生則沉積物將按照原有基底的形狀包復(fù)一層薄膜，保形性，如涂層刀具、集成電路采用CVD技術(shù)也可以得到單一的無機(jī)合成物質(zhì)，并用以作為原材料制備，如氣相分解硅烷制備多晶硅；如在沉積物達(dá)到一定厚度以后又容易與基地分離，則可得到各種特定形狀的游離沉積物器具，如碳化硅器皿；在CVD技術(shù)中也可以沉積生成晶體或細(xì)粉狀

4、物質(zhì)，或使沉積反應(yīng)發(fā)生在氣相中，得到的產(chǎn)物可以是很細(xì)的粉末，甚至是納米尺度的微粒，如白碳黑為了適應(yīng)CVD技術(shù)的需要，選擇原料、產(chǎn)物及反應(yīng)類型等通常應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)基本要求：反應(yīng)劑在室溫或不太高的溫度下最好是氣態(tài)或有較高的蒸氣壓而易于揮發(fā)成蒸汽的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，且有很高的純度；通過沉積反應(yīng)易于生成所需要的材料沉積物，而其他副產(chǎn)物均易揮發(fā)而留在氣相排出或易于分離；反應(yīng)易于控制。CVD是建立在化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)上的，要制備特定性能材料首先要選定一個(gè)合理的沉積反應(yīng)。用于CVD技術(shù)的通常有如下所述五種反應(yīng)類型：CVD技術(shù)的反應(yīng)原理最簡(jiǎn)單的沉積反應(yīng)，利用熱分解反應(yīng)沉積材料一般在簡(jiǎn)單的單溫區(qū)爐中進(jìn)行，

5、通常首先在真空或惰性氣氛下將襯底加熱到一定溫度，然后導(dǎo)入反應(yīng)氣態(tài)源物質(zhì)使之發(fā)生熱分解，最后在襯底上沉積出所需的固態(tài)材料，用于制備金屬、半導(dǎo)體以及絕緣材料等。1)熱分解反應(yīng)最常見的熱分解反應(yīng)有四種：(1)氫化物分解(2)金屬有機(jī)化合物的熱分解(3)氫化物和金屬有機(jī)化合物體系的熱分解(4)其他氣態(tài)絡(luò)合物及復(fù)合物的熱分解電光晶體值得注意的是通常金屬化合物往往是一些無機(jī)鹽類．揮發(fā)性很低，很難作為CVD技術(shù)的原料氣(前體化合物，precursors)，而有機(jī)烷基金屬則通常是氣體或易揮發(fā)的物質(zhì)，因此制備金屬或金屬化合物薄膜時(shí)，常常采用這些有機(jī)烷基金屬為原料，相應(yīng)地形成了一類金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉

6、積(Metal—OrganicChemicalVaporDeposition，簡(jiǎn)稱為MOCVD)技術(shù)。2)氧化還原反應(yīng)沉積一些的氫化物或有機(jī)烷基化合物常常是氣態(tài)的或者是易于揮發(fā)的液體或固體,便于使用在CVD技術(shù)中。如果同時(shí)通入氧氣，在反應(yīng)器中發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)就沉積出相應(yīng)于該元素的氧化物薄膜。鹵素通常是負(fù)一價(jià)，許多鹵化物是氣態(tài)或易揮發(fā)的物質(zhì)，因此在CVD技術(shù)中廣泛地將之作為原料氣。要得到相應(yīng)的該元素薄膜就常常帶采用氫還原的方法。工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)超純硅3)化學(xué)合成反應(yīng)沉積在CVD技術(shù)中使用最多的反應(yīng)類型是兩種或兩種以上的反應(yīng)原料氣在沉積反應(yīng)器中相互作用合成得到所需要的無機(jī)薄膜或其它

7、材料形式，是CVD中使用最普遍的一種方法。與熱分解法比，化學(xué)合成反應(yīng)沉積的應(yīng)用更為廣泛。因?yàn)榭捎糜跓岱纸獬练e的化合物并不很多，而無機(jī)材料原則上都可以通過合適的反應(yīng)合成得到。4)化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)沉積把所需要沉積的物質(zhì)作為源物質(zhì)，使之與適當(dāng)?shù)臍怏w介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并形成一種氣態(tài)化合物。這種氣態(tài)化合物經(jīng)化學(xué)遷移或物理載帶而輸運(yùn)到與源區(qū)溫度不同的沉積區(qū)，再發(fā)生逆向反應(yīng)生成源物質(zhì)而沉積出來。這樣的沉積過程稱為化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)沉積。其中的氣體介質(zhì)成為輸運(yùn)劑，所形成的氣態(tài)化合物稱為輸運(yùn)形式。這類輸運(yùn)反應(yīng)中通