化学气相沉积cvd技术.pptxVIP

第六讲;提 要 ; 化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）是经由气态的先驱物，通过气相原子、分子间的化学反应，生成薄膜的技术手段;化学气相沉积的气压环境;化学气相沉积的温度范围;化学气相沉积反应的类型;化学气相沉积反应的类型;气相输运 如将某一物质先在高温处升华 2CdTe(s)?2Cd(g)+Te2(g) (T1, T2 ) 然后使其在低温处冷凝的可逆反应 显然，这实际上是一种利用物理现象的 PVD 过程，但它在设备、物质传输及反应的热力学、动力学分析方面却完全与 CVD 过程相类似;制备(Ga,In)(As,P)半导体薄膜的CVD装置的示意图;CVD薄膜的种类;CVD 过程热力学分析的作用;CVD过程热力学分析的依据：物质的标准生成自由能?G?随温度的变化;复习: CVD 过程的热力学;例: CVD 过程的热力学考虑;在 700K 时，下列反应 WF6(g)+3/2SiO2(s)?W(s)+3/2SiF4(g)+3/2O2(g) WF6(g)+3/2Si(s)?W(s)+3/2SiF4(g) 的自由能变化 ?G?=+420kJ/mol、?707kJ/mol 上述两个反应合在一起，构成了利用 WF6 在 Si衬底上选择性沉积 W 薄膜的一种可能的途径;化学气相沉积化学反应平衡的计算;化学气相沉积化学反应平衡的计算;将各反应的平衡常数记为 K1、K2 至 K6，写出?G 与各组元活度（压力 pi）的关系；固态 Si 的活度可认为等于 1 在上述 6 个方程的基础上，加上另外两个方程;各种Si-Cl-H化合物的标准生成自由能随温度的变化;不同温度、0.1MPa、Cl/H=0.01时Si-Cl-H系统的平衡气相组成;Si-B-Cl-H 体系中沉积相与组元浓度、温度的关系 ;CVD 过程中的动力学: 各个动力学环节;气体传输的阶段涉及 气体的宏观流动 气相内发生的化学反应 气体组分的扩散 等三个基本过程;在CVD系统中，气体的流动多处于粘滞流的状态（气压较 PVD 时为高） 而一般的CVD过程，气体又多处于层流态 （但, 有时为了促进气体对流，也使用紊流态） 气体的宏观流动也分为两种:;轴对称的反应容器：在衬底表面附近提供的流场最均匀 水平式的反应容器：具有较大的装填效率，但在容器的下游处，反应物的有效浓度逐渐降低 管式的反应容器：装填效率高，但样品间反应气体的对流效果差 三种容器的几何尺寸都呈渐变式的变化，因为这样可以避免由于几何尺寸的突变而产生的气流涡旋;气体的强制流动: 速度的分布与边界层;在 CVD 过程中，衬底表面也会形成相应的气体不易流动的边界层。在这里，反应物和反应产物都需要通过扩散通过边界层。因此，边界层的存在限制了薄膜的沉积速率 提高 Re（雷诺 Reynolds 准数 ），即提高气体的流速和压力、降低气体的粘度系数，有利于减小边界层的厚度 ?，提高薄膜的沉积速率 但 Re 过高时，气体的流动状态会变为紊流态，破坏气体流动及薄膜沉积过程的稳定性，使薄膜内产生缺陷 ;因此，多数情况下希望将气体的流动状态维持在层流态。此时，气流的平稳流动有助于保持薄膜沉积过程的平稳进行 在个别情况下，也采用提高 Re 的方法，将气体的流动状态变为紊流态，以减少衬底表面边界层的厚度 ?，以提高薄膜的沉积速率 但, 气体流速过高又会使气体分子、尤其是活性基团在衬底附近的停留时间变短、气体的利用效率下降，CVD 过程的成本上升;右侧的自然对流可以依靠提高气体流速的方法得到抑制;在 CVD 系统中，气体在到达衬底表面之前，其温度已经升高，并开始了分解、发生化学反应的过程 如:当反应速度与物质浓度的一次方成正比时，则反应属于一级反应。如下述的正向反应 A ? B+C 一级反应只涉及组元 A 的行为，如气体分子Ni(CO)4 的热解，它的反应速率等于;与此相仿，二级反应 A+B ? C+D 的正向反应过程需要 A、B 两个组元同时参与，或者说是发生两者相互碰撞的过程，如: SiH4+H ? SiH3+H2 反应的速率等于;例如：进入H2气氛后，TiCl4分子的分解过程;状态1、状态2间可逆的化学反应的自由能变化曲线;如上图，反应总速率应正比于;在CVD过程中，衬底表面附近存在着流动性差