第2章薄膜制备的化学方法.ppt

薄膜技术与薄膜材料;第2章 薄膜制备的化学方法;不同于物理气相沉积，薄膜制备的化学方法需要一定的化学反应，这种化学反应可以由热效应引起或者由离子的电致分离引起。在化学气相沉积和热生长过程中，化学反应是靠热效应来实现，而在电镀和阳极氧化沉积过程中则是靠离子的电致分离实现。 与物理气相沉积相比，尽管化学反应中的沉积过程控制较为复杂，也较为困难，但薄膜沉积的化学方法所使用的设备一般较为简单，价格也较为便宜;第1节 热生长;由Bi制备Bi2O3;第2节 化学气相沉积;化学气相沉积的优点;化学气相沉积的缺点;一、一般的化学气相沉积反应;化学气相沉积反应器;在热壁反应器中，整个反应器需要达到发生化学反应所需温度，基片处于由均匀加热炉所产生的等温环境下。 在冷壁反应器中，只有基片需要达到化学反应所需的温度，也就是加热区域只局限于基片或基片架;化学气相沉积中的典型反应;2.还原反应 一个典型的例子是H2还原SiH4: SiCl4(g)+H2(g) →Si(s)+4HCl(g) 其他例子涉及钨和硼的卤化物： WCl6(g)+3H2(g) →W(s)+6HCl(g) WCl6(g)+3H2(g) →W(s)+6HCl(g) 2BCl3(g)+3H2(g) →2B(s)+6HCl(g) 两点说明： （1） 氯化物是更为常用的卤化物，这是因为氯化物具有较大的挥发性且溶液通过部分分馏而纯化。 （2）氢的还原反应对于制备像Al、Ti等金属是不合适的，这是因为这些元素的卤化物较稳定。;3.氧化反应 （1）SiO2通常由SiH4的氧化来制备， SiH4与氧气相混合并用惰性气体在常压下稀释，反应可以在450℃较低的温度下进行。 SiH4(g)+O2(g) → SiO2(s)+2H2(g) 常压下的化学气相反应沉积方法的优点在于它对设备的要求较为简单，且相对于低压化学气相反应沉积系统价格较为便宜。当在常压下反应时，气相成核将由于使用的稀释惰性气体而减少。 （2）其他用于沉积SiO2的反应有： SiH4(g)+2N2O(g) → SiO2(s)+2H2(g)+2N2(g) SiH2Cl2(g)+2N2O(g) → SiO2(s)+2HCl(g)+2N2(g) 这两个反应所需温度分别为850℃和900℃ （3）SiCl4和GeCl4的直接氧化也需要高温 SiCl4(g)+O2(g) → SiO2(s)+2Cl2(g) GeCl4(g)+O2(g) → GeO2(s)+2Cl2(g) （4）由氯化物的水解反应可氧化沉积Al Al2Cl6(g)+3CO2(g)+3H2(g) → Al2O3+6HCl(g)+3CO(g) ;4.氮化反应和碳??反应 （1）化学气相沉积制备氮化硅和氮化硼 3SiH4(g)+4NH3(g) →Si3N4(s)+12H2(g) 下列反应可获得高沉积率 3SiH2Cl2(g)+4NH3(g) →Si3N4(s)+6HCl+6H2(g) BCl3(g)+NH3(g) →BN(s)+3HCl(g) 化学气相沉积方法制得的膜的性质取决于气体的种类和沉积条件（如温度等）。如在一定温度下，氮化硅更易形成非晶膜 （2）在碳氢气体存在情况下，使用氯化还原的化学气相沉积方法可制得TiC、BC和SiC TiCl4(g)+CH4(g) →TiC(s)+4HCl(g) CH3SiCl3的热分解可产生碳化硅涂层 CH3SiCl3(g) →SiC(s)+3HCl(g);5.化合物的制备 由有机金属化合物可以沉积得到III-V族化合物 Ga(CH3)3(g)+AsH3(g) →GaAs(s)+3CH4(g) 如果系统中有温差，当源材料在温度T1时与输运气体反应易形成挥发物时，就会发生化学输运反应。当沿着温度梯度输运时，挥发材料在温度T2(T2T1)时会发生可逆反应，在反应器的另一端出现源材料： 6GaAs(g)+6HCl(g) → As4(g)+As2(g)+6GaCl(g)+3H2(g) 在逆反应以后，所获材料处于高纯态。 ;二、化学气相沉积制备薄膜的传统方法;左图为利用适当的金属盐在玻璃基片上的热分解，沉积制备Al2O3、CuO/ Al2O3和In2O3金属氧化膜的实验系统。初始反应材料以细粉的形式放在未加热的容器中，调节Ar气流量，使氩气携载细粉粒子落在位于炉中心处的基片上，在高温下热分解，形成氧化膜。;左图为一种催化化学气相沉积的低温化学气相沉积系统，用以沉积非晶半导体膜和氮化硅膜。 基片安放在样品架上，样品架可由加热器加热或由样品架后边的空气喷射来冷却，热电偶安放在基片架附件以测温度，加热催化器与基片架平行放置，距基片架3-4cm。 催化器为2%的Th、W线圈和Mo线构成。 室温下为液体的N2H4，经N2吹泡形成N2H4气体