Лекции_2 / ТЛ4_CVD [Режим совместимости]

Химическое парофазное

осаждение

(chemical vapor deposition – CVD)

Химическоепарофазное осаждение(chemical vapor deposition CVD)

это химический процесс, который разработан для получения твёрдых

неорганических покрытий, как правило, повышенной чистоты. Суть данного метода состоит в том, что конечный продукт образуется на подложке мишени (находящейся в наиболее нагретой зоне), в результате взаимодействия газообразных веществ прекурсоров в горячей зоне или термолиза пара вещества прекурсора. При этом вещества прекурсоры могут представлять собой не только газы но и твердые вещества или жидкости, в этом случае их возгоняют или испаряют в специальной зоне реактора, а за тем транспортируют к подложке мишени с помощью газа носителя, который может быть как «инертным», так и участвовать в синтезе. Также возможна организация процесса без газа носителя; в этом случае эксперимент выполняется под динамическим вакуумом. Если в результате реакции образуются газообразные побочные продукты, они удаляются из реактора потоком газа носителя или динамическим вакуумом.

© ИОНХ РАН © Севастьянов В.Г.,
Попов В.С.	1

Технологическаясхемахимического парофазногоосажденияSiC

СтадиипроцессаосажденияSiC

© ИОНХ РАН © Севастьянов В.Г.,
Попов В.С.	2

Стадиипроцесса

1. Массопереносгазообразных реагентовкподложке;

2. Диффузия реагентов через пограничный слой к поверхности подложке или гомогенные химические реакции с образованиемпромежуточныхсоединений;

3. Адсорбция реагентов или промежуточных соединений на поверхностиподложки;

4. Поверхностная миграция, гетерогенные реакции, включение атомов покрытия в поверхность роста и образованиепобочныхпродуктовреакции;

5. Десорбциипобочныхпродуктовсповерхностиреакции;

6. Диффузияпобочныхпродуктоввобъемгаза, атакже

7. Транспорт побочных продуктов газообразных веществ от подложки.

ПреимуществаCVD

1.Возможностьнанесения однородныхпосоставуитолщинепленокнадеталисложнойконфигурации.

2. Низкиетемпературыпроцесса:	CH3SiCl3 + H2 =
SiC+3HCl + H2 (1000 °С, притемпературесубл. SiC 2700 °С)

3.Возможность достижения высокой скорости осаждения с одновременным сохранением высокого качества пленки. Использование физического метода нанесения пленок связывает высокую производительность с высокой энергией потока частиц распыляемого вещества, что приводит к нарушению поверхности подложки или нижних слоев образовавшейся пленки, а также к загрязнениям примесями из аппаратуры. С применением CVD метода высокая производительность достигается за счет высокого давления паров летучего вещества или большой скорости газа носителя.

4.Применение этого метода дает хорошую воспроизводимость свойств покрытий при фиксации параметров процесса. Легкость управления процессом и возможность быстрой перестройки аппаратурыприизменениииспользуемыхвеществявляетсяположительнойхарактеристикойметода.

5.Химическая чистота продукта, осажденного из газовой фазы, существенно выше, чем при использовании других методов, в том числе и золь – гель техники, так как вещества, используемые в качествепрекурсоров, очищаютсяотпримесейприпереходевгазовуюфазу.

6.СпомощьюCVD процессаполучаютматериалыразличныхструктур: монокристаллы, поликристаллы, аморфные тела. Особую роль играет CVD процесс в синтезе наноматериалов. Примеры материалов: кремний, углеродное волокно, углеродное нановолокно, углеродные нанотрубки, SiO2, вольфрам, карбид кремния, нитрид кремния, нитрид титана, различные диэлектрики, а также синтетические алмазы.

©ИОНХ РАН © Севастьянов В.Г.,

Попов В.С.

3

НедостаткиCVD

1.Требует прекурсоров, которые могут быть токсичными, взрывоопасными, дорогими или приводить к образованию токсичных продуктов, требующихутилизации.

2.Наиболее сложен по сравнению с другими газофазными процессами (PVD илимолекулярнолучеваяэпитаксия):

Возможнопротеканиепобочныхреакций;

Требует проведения большого числа тестовых экспериментов для поиска наиболее оптимального сочетания всех параметров процессаосаждения.

ИсторияCVD: Первыенаблюденияи чистыеметаллы

1.Наблюдениеосаждениясаживпечах.

2.Очистканикеля(Монд, 1890 г.)

3.Метод нанесения вольфрама на углеродные нити при восстановленииWCl6 водородом(ДеЛодиген, 1893 г.)

4.Очисткациркония( ВанАркельиДеБоер,1925 г.)

5.Получениевысокочистоготитана(Кролл, 1940г.)

©ИОНХ РАН © Севастьянов В.Г.,

Попов В.С.

4

СхемаустановкиВанАркеляиДеБоера

ИсторияCVD: микроэлектроника

1960 1970 гг. развитиеCVD методадляполученияматериаловдля микроэлектронники:

1. Полупроводники

IV группа Si, Ge, SiGe и SiC;

соединения III-V группы AlN,AlAs,AlP; GaN, GaP, GaAs; InP, InAs; AlGeAs, GaAsP, GaAsSb, GaInP, GaInAs, InAsP, GaInAsP;

соедиенния II-VI группы ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe and CdTe;

Другиеполупроводники ScN,YN, SnO2, In2O3, PbSnTe идр.

2. Проводящиематериалы:

Металлыисплавы:Ag,Al,Al3Ta,Au, Be, Cu, Ir, Mo, Nb, Pt, Re, Rh,V,Ta,Ta-W,W,W–Mo–Re

3. Диэлектрическиематериалы:

Алюмосиликатныестекла(AlSG) осажденныеизSiH4–Al(CH3)3–O2–N2; Si3N4–Al

Арсеносиликатныестекла(AsSG) осажденныеизSi(OC2H5)4–AsCl3–O2–N2;

Боросиликатныестекла(BSG) осажденныеизSiH4–B2H6;

Фосфорсиликатныестекла(PSG) осажденныеизSiCl4–PCCl3–H2O, PH3–SiH4–O2;

ОксидыSiO2,Al2O3,TiO2, ZrO2, HfO2,Ta2O5 иNb2O5;

©ИОНХ РАН © Севастьянов В.Г.,

Попов В.С.

5

ИсторияCVD: современныйэтап

Применение CVD для получения полупроводниковых устройств, МЭМС, наноматериалов, прикладные

структурированные материалы и ультравысокотемпературные

материалы дляследующихобластей:

Коммуникационныетехнологии

Оптоэлектронника

Микроэлектронныеустройства

Нанотехнологии

Функциональные покрытия

Высокотемпературныесверхпроводники

Высокочистыематериалы

Композиты

ТеоретическиеосновыCVD процесса

Движущей силой являются градиент концентрации, градиент давления и градиенты температуры газов. Так как при изменении потоков газов меняются их моменты импульса и энергии, и масса меняются, поэтому транспорт газа значительно влияет не только на скорость осаждения, но инакачествоимеханизмосаждения.

Параметрыгазовойфазы:

Гидродинамическийрежимтечениягаза(скоростьпотокаивеличина переходногоповерхностногослоя)

Давлениепарапрекурсора

©ИОНХ РАН © Севастьянов В.Г.,

Попов В.С.

6

КлассификацияметодовCVD

ФункциональныеэлементыCVD установок

Системаподводагаза

Реактор

Системазагрузки/выгрузки

Энергетическаясистема

Вакуумнаясистема

Системаконтроляпараметров

Системавыводагазообразных продуктов

©ИОНХ РАН © Севастьянов В.Г.,

Попов В.С.

7

СхемапромышленнойCVD установки

Требованиякпрекурсорами стартовымреагентам

Недорогие стартовые материалы и относительно простые методы синтеза прекурсоров.

Прекурсоры должны быть относительно стабильны при нормальных условиях.

Прекурсоры должны гарантировать высокий

выходцелевогоматериала .

Необходимая и достаточная летучесть и термостабильность в газовойфазе.

Полупродукты не должны быть токсичны.

© ИОНХ РАН © Севастьянов В.Г.,
Попов В.С.	8

Видыпрекурсоровпо

агрегатномусостоянию

Газообразные

Жидкие

Видыпрекурсоровпо

агрегатномусостоянию

 Твердые

© ИОНХ РАН © Севастьянов В.Г.,
Попов В.С.	9

CVD реакторы

Горизонтальный реактор

CVD реакторы

Вертикальный реактор

© ИОНХ РАН © Севастьянов В.Г.,
Попов В.С.	10