第2章材料合成与制备的基本途径分解.ppt

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*/* 化学气相沉积 化学气相沉积(CVD)是一种在实际应用中有重要作用的薄膜制备方法。它提供了一种在相对低的温度下,在较广的范围内准确控制薄膜的化学成分和结构的方法。 本质上CVD 是一种材料的合成过程,气相原子或分子被输运到衬底表面附近,在衬底表面发生化学反应,生成与原料化学成分截然不同的薄膜。 */* CVD技术可按照沉积温度、反应器内的压力、反应器壁的温度和淀积反应的激活方式进行分类。 (1)按沉积温度,可分为低温(200-500℃)、中温(500-1000℃)和高温(1000-1300℃) CVD; (2)按反应器内的压力,可分为常压CVD和低压CVD; (3)按反应器壁的温度.可分为热壁方式和冷壁方式CVD; (4)按反应激活方式,可分为热激活和等离子体激活CVD等。 化学气相沉积 */* 化学气相沉积的基本原理 化学气相沉积的基本原理是建立在化学反应的基础上,习 惯上把反应物是气体而生成物之一是固体的反应称为CVD反 应。通常认为有以下几种类型的 CVD反应(以下各武中的( s)表示固相,(g)表示气相)。 热分解反应 AB(g) A(s)+B(g) 例 SiH4 Si+2H2 还原或置换反应 AB(g)+C(g) A(s)+BC(g)C为H2或金属 例 SiCl4+2H2 4Si+4HCl 氧化或氮化反应 AB(g)+2D(g) AD(s)+BD(g) (D为O2或N2) 例 SiH4+O2 SiO2+2H2 水解反应 AB2(g)+2HOH(g) AO(s)+2BH(g)+HOH(g) 例 Al2Cl6+3CO2+H2 Al2O3+3HCl+3C0 歧化反应 AB2(g) A(s)+AB(g) 例 2GeI2 Ge+GeI4 聚合反应 XA(g) Ax(s) */* 上述各种类型的反应,在大多数情况下是依靠热激发,在某些情况下,特别是在放热反应时,基片温度低于进料温度下进行沉积,因此,也可以称之为热CVD。所以,高温是CVD法的一个重要特征. 但这使得基板材科在选用上受到一定限制。有些化学反应的基板温度为300-600℃,也有许多反应要求温度高于600℃,但对有机玻璃,最高只能100℃。而且由于反应发生在基板表面的高温区,气相反应的副产物有可能进入膜内而影响薄膜质量。 CVD反应的自由能与温度的关系: 一个反应之所以能够进行.其反应自由能的变化(ΔGr)必须为负值,且随着温度的升高,相应的ΔGr值下降,因此升温有利于反应的自发进行。 */* CVD法制备薄膜的过程,可以分为以下几个主要的阶段: (1)反应气体向基片表面扩散: (2)反应气体吸附于基片的表面, (3)在基片表面上发生化学反应; (4)在基片表面上产生的气相副产物脱离表面而扩散掉或被真空泵抽走,在基片表面留下不挥发的固体反应产物——薄膜。 */* CVD反应器 选择CVD反应和反应器决定很多因素,主要有薄膜的性质、 质量、成本、设备大小、操作方便、原料的纯度和来源方 便及安全可靠等。但任何CVD所用的反应体系,都必须满足 以下三个条件: (1)在沉积温度下,反应物必须有足够高的蒸气压.要保证能以适当的速度被引入反应室; (2)反应产物除了所需要的沉积物为固态薄膜之外,其他反应产物必须是挥发性的; (3)沉积薄膜本身必须具有足够低的蒸气压,以保证在整个沉积反应过程中都能保持在受热的基体上;基体材料在沉积温度下的蒸气压也必须足够低。 */* 开口体系CVD 这是CVD反应器中且常用的类型,这类反应器通常在常压下操作,装、卸料方便。 一般包括,气体净化系统;气体测量和控制部分;反应器;尾气处理系统和抽真空系统等。 开口体系CVD法的反应器有立式和卧式两种形式。卧式如下图所示 */* 基片支架为旋转圆盘,可保证反应气体混合均匀,沉积膜的厚度、成分及杂质分布均匀。 立式CVD装置的示意图 */* 转筒式CVD装置能对大量基片同时进行外延生长 转筒式CVD装置结构 */* 图中沉积区域为球形的。由于基片受热均匀,反应气体也能均匀地供给,因此产品的均匀性好,膜层厚度一致,质地均匀。 等温球体加热 CVD装置结构 */* */* 开口体系工艺的特点: 能连续地供气和排气,物料的运输 一般是靠外加不参予反应的惰性气体来实现的。由于至少 有一种反应产物可连续地从反应区排出,这就使反应总处

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