Seminar化學(xué)氣相沉積CVD原理及其薄膜制備程士敏

報告人：程士敏導(dǎo)師：李燦研究員SeminarⅠ化學(xué)氣相沉積(CVD)原理及其薄膜制備2008.05.27

CVD原理

定義

氣態(tài)物種輸運(yùn)

沉積過程熱力學(xué)和動力學(xué)CVD技術(shù)分類CVD制備薄膜

CVD技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)概要孟廣耀，化學(xué)氣相淀積與無機(jī)新材料，北京：科學(xué)出版社，1984載氣載氣氣態(tài)源液態(tài)源固態(tài)源前驅(qū)物氣體氣相輸運(yùn)反應(yīng)沉積襯底托架臥式反應(yīng)器襯底立式反應(yīng)器CVD(ChemicalVaporDeposition)是通過氣態(tài)物質(zhì)在氣相或氣固界面上發(fā)生反應(yīng)生成固態(tài)粉體或薄膜材料的過程K.L.Choy./ProgressinMaterialsScience48(2003)57–170實(shí)驗(yàn)室用典型CVD設(shè)備沉積SiC涂層裝置簡圖氣相前驅(qū)體供給系統(tǒng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)排出氣控制系統(tǒng)氣態(tài)物種的輸運(yùn)熱力學(xué)位的差異－驅(qū)動力(壓力差、分壓或濃度梯度和溫度梯度)氣體分子定向流動、對流或擴(kuò)散氣態(tài)反應(yīng)物或生成物的轉(zhuǎn)移沉積速率、沉積機(jī)理和沉積層質(zhì)量開管氣流系統(tǒng)中的質(zhì)量輸運(yùn)——水平反應(yīng)管中的氣流狀態(tài)層流和紊流通常用流體的雷諾數(shù)(Re)來判斷

ρ、v、η分別為流體的密度、線流速和粘度系數(shù)，d為圓管直徑臨界雷諾數(shù)：R>R上臨紊流

R<R下臨層流光滑圓管：R上臨＝12000～13000R下臨＝1900～2000R上臨取決于流動形狀，特征長度，入口處和流動方向上的擾動臥式硅外延反應(yīng)器中氣流模型S.E.Brodshaw./Int.J.Electron.,21(1966)205;23(1967)381SchlichtingH.,“BoundaryLayerTheory”4th.ch.7,McGraw-HillBookCo.(1955).附面層模型層流紊流氣流入口滯流薄層模型氣態(tài)組分從主氣流向生長表面轉(zhuǎn)移需通過附面層，氣態(tài)組分通過附面層向生長表面轉(zhuǎn)移一般是靠擴(kuò)散進(jìn)行。粒子流密度:質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù):附面層厚度：

平均附面層厚度：開管氣流系統(tǒng)中的質(zhì)量輸運(yùn)——?dú)鈶B(tài)組分向生長表面的轉(zhuǎn)移R.E.Treybel.,“Mass-TransferOperations”ch.3,McGraw-HillBookCo.(1955).Pohlhauson更精確結(jié)果：輸運(yùn)流量的計算實(shí)例：熱分解反應(yīng)ABn(g)+C(g)=A(s)+nB(g)+C(g)氣固界面熱力學(xué)平衡：粒子流密度:物料守恒:(粒子數(shù)／厘米2·秒)孟廣耀，化學(xué)氣相淀積與無機(jī)新材料，北京：科學(xué)出版社，1984沉積過程熱力學(xué)CVD過程的熱力學(xué)分析運(yùn)用化學(xué)平衡計算，估算沉積系統(tǒng)中與某特定組分的固相處于平衡的氣態(tài)物種的分壓值，用以預(yù)言沉積的程度和各種反應(yīng)參數(shù)對沉積過程的影響。對于非動力學(xué)控制的過程，熱力學(xué)分析可以定量描述沉積速率和沉積層組成，有助于了解沉積機(jī)制和選擇最佳沉積條件系統(tǒng)各物種間的化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)平衡方程式計算機(jī)數(shù)值解法各組分的平衡分壓和固相組成體系物料的質(zhì)量守恒方程式已有實(shí)驗(yàn)資料沉積過程機(jī)理優(yōu)化沉積工藝參數(shù)CVD：氣固表面多相化學(xué)反應(yīng)１.反應(yīng)氣體混合物向沉積區(qū)輸運(yùn)；２.反應(yīng)物由主氣流向生長表面轉(zhuǎn)移；３.反應(yīng)(和非反應(yīng))分子被表面吸附；４.吸附物之間或吸附物與氣態(tài)物種之間在表面或表面附近發(fā)生反應(yīng)，形成成晶粒子和氣體副產(chǎn)物，成晶粒子經(jīng)表面擴(kuò)散排入晶格點(diǎn)陣；５.副產(chǎn)物分子從表面上解吸；６.副產(chǎn)物由表面區(qū)向主氣流空間擴(kuò)散；７.副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)物，離開沉積區(qū)，從系統(tǒng)中排出。2、6、7物質(zhì)輸運(yùn)步驟速率控制步驟質(zhì)量輸運(yùn)控制或質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制表面控制或化學(xué)動力學(xué)控制進(jìn)氣控制或熱力學(xué)控制1進(jìn)氣步驟3、4、5表面步驟沉積過程動力學(xué)——CVD研究的核心沉積層生長速率、質(zhì)量與沉積參數(shù)的關(guān)系規(guī)律沉積過程速率控制機(jī)制調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件改進(jìn)工藝狀況實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)規(guī)律原子和分子尺度推斷材料沉積的表面過程深化認(rèn)識過程機(jī)理沉積過程動力學(xué)鑒別沉積過程控制機(jī)制的最有力的方法，就是實(shí)驗(yàn)測定生長參數(shù)(如溫度、反應(yīng)物分壓、氣體流速和襯底狀況等)對沉積速率的影響供質(zhì)控制過程(熱力學(xué)控制過程):分析沉積程度與沉積溫度、反應(yīng)劑分壓的關(guān)系；擴(kuò)散控制系統(tǒng)的分析對象是:沉積層厚度，均勻性和最佳效率等；動力學(xué)控制體系:從原子水平上描述確定沉積過程機(jī)理，優(yōu)化最佳生長條件。實(shí)驗(yàn)參量對過程控制機(jī)制和沉積速率的影響實(shí)例：A(g)=C(s)+B(g)Ⅰ

A向C表面轉(zhuǎn)移；ⅡA在表面上反應(yīng)，形成沉積物C和副產(chǎn)物B；Ⅲ

B從表面擴(kuò)散離去。沉積速率：沉積溫度的影響氣體流速的影響動力學(xué)控制熱力學(xué)控制質(zhì)量輸運(yùn)控制CVD技術(shù)分類(沉積過程能量提供方式)K.L.Choy./ProgressinMaterialsScience48(2003)57–170A.H.Mahan./SolarEnergyMaterials﹠SolarCells78(2003)299-327熱活化CVD(conventionalCVD,lowpressureCVD)等離子體增強(qiáng)CVD(plasmaenhancedCVD)光CVD(photo-assistedCVD)原子層沉積(atomiclayerepitaxy)金屬有機(jī)CVD(metal-organicCVD)脈沖注入金屬有機(jī)CVD(pulsedinjectionMOCVD)氣溶膠CVD(aerosolassistedCVD)火焰CVD(flameassistedCVD

)電化學(xué)CVD(electrochemicalVD)化學(xué)氣相滲透(chemicalvaporinfiltration)熱絲CVD(hot-wireCVD)1.基片架2.熱電偶3.紅外測溫儀4.窗口5.噴嘴6.加熱催化器7.接真空泵8.基片PECVD裝置示意圖HWCVD裝置示意圖徐如人龐文琴，無機(jī)合成與制備化學(xué)，北京：高等教育出版社，2001鄭偉濤，薄膜材料與薄膜技術(shù)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003CVD技術(shù)的應(yīng)用及薄膜制備納米材料納米粒子，納米管，納米線王豫，水恒勇，熱處理，16（2001）1-4王福貞馬文存，氣相淀積應(yīng)用技術(shù)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006半導(dǎo)體(Si,Ge,III–V,II–VI)絕緣體(SiO2,AlN,Si3N4)金屬薄膜(W,Pt,Mo,Al,Cu)難溶陶瓷材料(TiB2,SiC,B4C,BN,TiN,Al2O3,ZrO2,MoSi2,diamond)鐵電體，超導(dǎo)體，鈣鈦礦材料切削工具，模具，半導(dǎo)體工業(yè)，耐磨機(jī)械，耐氧化、耐腐蝕，光學(xué)，新材料薄膜涂層Y.J.Lietal./JournalofCrystalGrowth260(2004)309–315Landstrometal./J.Phys.Chem.B107(2003)11615-11621Vetriveletal./J.Phys.Chem.C111(2007)16211-16218Kaminsetal./Appl.Phys.Lett76(2000)562-564氯硅侍烷氫營還原(Si誕HC暑l3+H2=S委i+蹈3H蛋Cl)生產(chǎn)倦多晶釣硅裝盈置簡份圖徐如嚴(yán)人答龐文曲琴，無機(jī)占合成變與制鐵備化恭學(xué)，北五京：高往等教性育出版汁社，20猛01AP追CV柏D制備Ti捎Se2薄膜N.躲D.Bo烏sc梁he輔r,溫I.帆P.Pa干rk放inet殲a義l.完/刑C勞he辰m.Va但p.賤De粗po涉si廚ti肺on庫1誰2(20喇06)54橋–5攤8Re業(yè)ac泊to完r:階h酒or籠iz線on縮慧ta咳l-臂be旋d篇co獻(xiàn)ld燈-w膚al耳l次AP站CV給DSu膝bs匯tr廳at撲e:喊S薯iO2(5端0鐘nm趕)pr度ec錫oa殘te倘dfl呀oa鞭t碼gl時as憲sPr燒ec秩ur被so蹈r:府T掩iC盛l4,di睡-te恥rt-b括ut銜yl題se道le政ni瞎deCa塘rr汽ie數(shù)r簽ga呼s:地N2AP儀CV睡D制備Mo杠Se2薄膜so哀li坐d-粗st在at淚e園lu領(lǐng)br伶ic蜓a(bǔ)n沾tca范th而od筑e曬ma踐te甜ri礎(chǔ)al段f同or者h(yuǎn)嶼ig捷h坑en讀er梅gy尼d法en典si艦ty褲b翻at歡te堵ri提eson從e橋of依t啊he寬m醒os個t貼ef走fi膚ci殲en異t刷sy炎st拼em桂s赤fo激r壯el掙ec敢tr嬌oc勞he日mi和ca牢l怕so誤la健r吧en崇er梯gy刺c街on賓ve佩rs育io黑nN.記D.Bo趕sc焰he弟r,布I.挪P.Pa要rk澤inet奸a虹l.趕/勾C共he割m.Va竊p.香De監(jiān)po伐si恒ti駐on芽1輛2(20游06)69掩2–泳69積8LP龍CV叢D制備立方Si洋C薄膜Re型ac秩to亭r:重L動PC喘VD蛇(沉1.黃3×誼103Pa身)Su港bs戚tr釀at香e:政o背ne篇-p賊ol皆is挽he掩dSi(1辰10池)刑(1與30峰0匪℃)Pr傘ec村ur奴so田r:急S展iH4,撐C3H8Ca陰rr伶ie響r鑼ga燦s:怎H2H.配W.Zh汗en剝g,口X.抵G.膀L且i止et捕a規(guī)l.何/港C馳er奸am至ic辦s孟In吩te唐rn怨at宰io歇na河l延34糧(頓20君08桶)段65皮7–罵66謠0hi吵ghcr域ys圾ta扁ll構(gòu)in鍛it稿yJ.躲H息Sh律in威,嘴R.等A.跟J通on精es術(shù),虹G.暖S.潔H牛wa猜ng班,兔J.晚G.Ek論er狀dtet喂a丹l.診/J.辱A隙M.跌C熱HE惹M.灘S旱OC呀1桿28姜(饒20謀06猶)能16廢51態(tài)0-經(jīng)16尖51輔1LP楊CV恭D制備婦非晶Ru殃P(guān)合金碎超薄膜Mi冶cr去oe拌le和ct吐ro義ni渠cs厘a槐pp敏li便ca派ti屆on律s：Cu碧d填if毯fu窗si西on鹿b郵ar養(yǎng)ri損er竊a兼nd雷C稈u撫se竊ed符l脹ay就erTh亞e料fi澡rs蓮t沙CV伏D娘gr冬ow姨n獨(dú)bi額na每ry烏t的ra閑ns壇it睡io蹦n梅me竊ta鄙l屋ph抹os頓ph事or葵us管a逃mo賺rp訪ho凳us縱a船ll屆oy刺sRe享ac煎to屬r:殘c終ol射d-霞wa依ll變L蝴PC綢VD雹(伍20姻0mT玻or謠r)Su梢bs彼tr晶at熟e:辯S涼iO2(3袖00廢℃聾)Pr省ec樓ur膝so格r:陰c死is賄-H2Ru藝(P謎Me3)4(M剛e=松CH3)Ca藍(lán)rr國ie駁r涉ga銷s:ArPE慣CV猜D制備納米凡晶金恢剛石薄膜11閣40俗c夢m-113果32割c霉m-1Re索ac沾to草r:過H擾CE號DC將A擾CV臨D(h洞ig牙h挖cu匹rr頸en有t廁ex缺te撐nd兔ed猾D危C婚ar愉c社CV陜D0.芬80吸–1災(zāi).5悠0kP氧a)Su炊bs敲tr孫at至e:錄W醉C蒸(8角00寫–8青50燥℃滾)Pr褲ec圣ur弊so眼r:惜C丸H4,工H2Ca音rr愁ie葵r歸ga磨s:ArX.趕M.炒M咸en哀g騎et緊a遣l.糾/永V品ac訂uu火m谷82崗(處20慶08啊)畝54秩3–溫54煌6MO反CV醋D制備Fe部Sn合金薄膜an柿ti杏co展rr厚os圈io績n屆pr俗o(hù)t祖ec投ti促onso慰la拋r凡en燈er班gy躁d櫻ev描ic賠esma羅gn砍et墓ic蘇t仰ap確eRe賓ac茶to額r:話c土ol公d-統(tǒng)wa顏ll判l(wèi)役am怖p-付he叔at辱edMO稍CV件D斷(0鞋.0繪6To岡rr)Su微bs巡壽tr計at隆e:私n安-t索yp抹eSi(1鄉(xiāng)豐00銅)跳wa肆fe蛋r筑(3元00呢–4譽(yù)20變℃偶)Pr氣ec飛ur最so傘r:愚C垮pF準(zhǔn)e(珍CO獻(xiàn))2(S蘆nM衡e3)K.掏M.產(chǎn)C音hi婆e搶t杰al怪.雨/剝Ch章em扎.戒Ma矮te陷r旗14惕(售20訓(xùn)02浩)商20吧28抽-2零03賞2HW領(lǐng)CV弱D制備微晶Ti判O2薄膜Re飼ac闊to蟻r:滔s逢in具gl付e襯ch黨am高be蜜r濱Ho淹t-只Wi菜re躬C斬VD營(66互.5器P券a偷to攔2窄66亦P貞a)Su蜻bs完tr能at壺e:監(jiān)Q甩ua繳rt童z診an梁d缺Co儲rn款in傍g督17改37由g中l(wèi)a頑ss奔es梯(吐50闖0灶℃)Pr飾ec加ur扯so憶r:納T絕i(附OC3H7)4Ca目rr介ie沈r繡ga雀s:ArT.猜I勸id咽a沾et鞭a織l.受/Th禮in今S諸ol們id絲式F家il本ms焦5去16要(吼20檢08懸)搏80共7–撞80站9gr串a(chǎn)i溉n計si踏ze胳4撕0–勻60岸n受mte鍵xt剝ur聯(lián)ed男s朱tr撇uc及tu名re可制今備高輔度致即密、元高純魯度材顛料沉積胸速率斗高且披易控側(cè)制，扎過程薦重現(xiàn)躺性好點(diǎn)、薄彎膜結(jié)央合力用強(qiáng)布散舒能力礙好，妥能實(shí)定現(xiàn)共益形沉薄積可用四前驅(qū)糾物廣勁泛，者可制敗備多披種材樸料有毒畝、腐籌蝕性鉗及易爐燃易刪爆性擦氣體四的使鈴用使用進(jìn)多元皂前驅(qū)友物時皺，所押制備喊材料比的組賽成難擱準(zhǔn)確巨控制真空掀設(shè)備循成本瘦高，獅沉積目過程正能量售耗費(fèi)丑較大CV殖D技術(shù)蒜的優(yōu)桑缺點(diǎn)王福謎貞率馬文仁存，裙氣相端淀積宿應(yīng)用例技術(shù)武，北輕京：機(jī)械跳工業(yè)偵出版腔社，20眠06K.市L.Ch年oy執(zhí).斯/星Pr科og毒re乎ssin緞M舍at佩er奇ia版ls改S抱ci稼en條ce櫻4耽8純(2椒00劈燕3)駕5于7–施17您0K.假L.Ch隨oy群.永/塘Pr討og口re超ssin逐M蟻at欄er才ia凈ls太S乳ci膽en嘗ce拾4板8日(2挽00虹3)邊5哪7–輸17調(diào)0S.秧E.Br該od待sh米aw.仍/彎In仆t.燈J摩.踏El犁ec壟tr諸on泡.,粗2央1(19飽66)20磨5;妄2裝3絞(1德96脾7)鑒3算81Sc類hl肉ic監(jiān)ht蹄in迫gH.頂,綠“壓Bo邪un尾da錘ry手L納ay廟er灰T箭he尾or問y”耳4鄭th耗.ch.歡7,愧M憐cG趙ra欺w-速Hi鑼ll生B項(xiàng)oo橋k日Co下.思(1咽95虜5)扛.R.環(huán)E.Tr踏ey課be敲l.蠢,陵“M淘as鐮s-滴Tr竄an葬sf親er撈O明pe誘ra貼ti致on展s”ch.您3,允M鄰cG膠ra弦w-中Hi沸l(wèi)l羊B構(gòu)oo籠k準(zhǔn)Co悉.供(1些95寸5)蠟.R.任F.肚L派ev已er諸.憑/蠢IB不M灑J.零R逐es鋤.絡(luò)De潔ve股lo臨p.光,皇8(19嫩65)46堂0T.勢O.澤S瓦ed內(nèi)gw朱ic習(xí)k.鄭/消J憶.El油ec夫tr繡oc副he控m.猶So政c.拿,味11震1令(1障96會4)炊1韻38意1Y.乞J.齊L朱i羨et款a竄l.過/閃J值ou俗rn鼓al言o喘f暫Cr曬ys暖ta灘l赴Gr冶ow站th推2她60舅(箱20喇04扣)誓30謹(jǐn)9–的31累5La旨nd陜st博ro刪m迷et貢a跡l.矛/J.列P伸hy市s.閣C猴he纖m.趙B莊1孕07(20絹03)11占61滴5-益11餡62挺1Ve傻tr內(nèi)iv魚el侮e乘t漿al焦.奏/收J(rèn).資P奴hy化s.踏C遙he忌m.州C驚1鑼11流(蹦20配07摩)雄16燙21伏1-輔16欣21凳8Ka幸mi促nset僑a球l.搖/Ap躲pl.譽(yù)Ph及ys叛.Le悄tt76方(勿20王00大)顏56敘2-粘56略4王豫巴，水價恒勇宮，熱致處理項(xiàng)，16（20屈01）1-撐4A.坑H.榨M村ah腎an懇.雖/棗So炊la秧r罩En吸er已gyMa泡te肉ri佛al暮s﹠追So躍la亡rCe甩ll戰(zhàn)s烈78舟(棋20欄03釘)肯29遺9-夕32口7N.辱D.Bo嘩sc柏he聽r,壞I.挺P.Pa痛rk塊inet類a編l.禾/兔C淹he炊m.Va很p.倦De乓po何si堂ti漸on厚1咐2(20裕06)54嚇–5漂8N.燥D.Bo奧sc護(hù)he墓r,仇I.文P.Pa劑rk出inet捆a哥l.剩/驢C電he越m.Va侍p.睜De宏po蛇si差ti壁on領(lǐng)1惡2(20累06)69巴2–刻69匆8H.登W.Zh筑en原g,藏X.執(zhí)G.妄L灶i倉et煌a讓l.幸/株C耕er雖am握ic哪s逝In性te欄rn選at張io碰na評l缺34路(蹈20黨08晶)桃65很7–需66搶0J.怒H淹Sh尖in旱,肅R.色A.榴J廊on旦es流,膜G.籌S.紙H我wa鐘ng怕,醋J.鞠G.Ek工er氧dtet遷a咳l.院/J.帖A岸M.潤C(jī)濫HE不M.覆S踢OC螞1抄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