化学气相沉积(CVD)原理及其薄膜制备.ppt

CVD 原理 定义 气态物种输运 沉积过程热力学和动力学 CVD 技术分类 CVD 制备薄膜 CVD 技术的优缺点 * * 报告人：程士敏 导 师：李 灿 研究员 Seminar Ⅰ 化学气相沉积(CVD)原理及其 薄膜制备 2008. 05. 27 概 要 孟广耀，化学气相淀积与无机新材料，北京：科学出版社，1984 载气 载气 气态源 液态源 固态源 前驱物 气体 气相输运 反应 沉积 衬底 托架 卧式反应器 衬底 立式反应器 CVD (Chemical Vapor Deposition)是通过气态物质在气 相或气固界面上发生反应生成固态粉体或薄膜材料的过程 K.L. Choy. / Progress in Materials Science 48 (2003) 57–170 实验室用典型CVD设备沉积SiC涂层装置简图 气相前驱体供给系统 化学气相沉积系统 排出气控制系统 气态物种的输运 热力学位的差异－驱动力 (压力差、分压或浓度梯度和温度梯度) 气体分子定向流动、对流或扩散 气态反应物或生成物的转移 沉积速率、沉积机理和沉积层质量 开管气流系统中的质量输运 ——水平反应管中的气流状态 层流和紊流 通常用流体的雷诺数(Re)来判断 ρ、v、η分别为流体的密度、线流速和粘度系数，d为圆管直径 临界雷诺数： RR上临 紊流 RR下临 层流 光滑圆管： R上临＝12000～13000 R下临＝1900～2000 R上临 取决于流动形状，特征长度，入口处和流动方向上的扰动 卧式硅外延反应器中气流模型 S.E. Brodshaw. / Int. J. Electron., 21 (1966) 205; 23 (1967) 381 Schlichting H. , “Boundary Layer Theory” 4th. ch. 7, McGraw-Hill Book Co. (1955). 附面层模型 层流 紊流 气 流 入 口 滞流薄层模型 气态组分从主气流向生长表面转移需通过附 面层，气态组分通过附面层向生长表面转移 一般是靠扩散进行。 粒子流密度: 质量转移系数: 附面层厚度： 平均附面层厚度： 开管气流系统中的质量输运 ——气态组分向生长表面的转移 R.E. Treybel. , “Mass-Transfer Operations” ch. 3, McGraw-Hill Book Co. (1955). Pohlhauson 更精确结果： 输运流量的计算 实例：热分解反应 ABn(g)+C(g)=A(s)+nB(g)+C(g) 气固界面热力学平衡： 粒子流密度: 物料守恒: (粒子数／厘米2·秒) 孟广耀，化学气相淀积与无机新材料，北京：科学出版社，1984 沉积过程热力学 CVD过程的热力学分析 运用化学平衡计算，估算沉积系统中与某特定组分的固相处于平衡的气态物种的分压值，用以预言沉积的程度和各种反应参数对沉积过程的影响。 对于非动力学控制的过程，热力学分析可以定量描述沉积速 率和沉积层组成，有助于了解沉积机制和选择最佳沉积条件 系统各物种间的 化学反应和 化学平衡方程式 计算机 数值解法 各组分的 平衡分压和 固相组成 体系物料的 质量守恒方程式 已有实验资料 沉积过程机理 优化沉积工艺参数 CVD：气固表面多相化学反应 １.反应气体混合物向沉积区输运； ２.反应物由主气流向生长表面转移； ３.反应(和非反应)分子被表面吸附； ４.吸附物之间或吸附物与气态物种之 间在表面或表面附近发生反应，形 成成晶粒子和气体副产物，成晶粒 子经表面扩散排入晶格点阵； ５.副产物分子从表面上解吸； ６.副产物由表面区向主气流空间扩散； ７.副产物和未反应的反应物，离开沉 积区，从系统中排出。 2、6、7 物质输运步骤 速率控制步骤 质量输运控制或质量转移控制 表面控制或化学动力学控制 进气控制或热力学控制 1 进气步骤 3、4、5 表面步骤 沉积过程动力学 ——CVD研究的核心 沉积层生长速率、质量与沉积参数的关系规律 沉积过程速率控制机制 调整实验条件 改进工艺状况 实验研究 实验规律 原子和分子尺度推断材料沉积的表面过程 深化认识 过程机理 沉积过程动力学 鉴别沉积过程控制机制的最有力的方法，就是实验测定生长参数 (如温度、反应物分压、气体流速和衬底状况等)对沉积速率的影响 供质控制过程(热力学控制过程): 分析沉积程度与沉积温度、反应剂分