化学气相沉积

反向反应速率<正向反应 薄膜生长速率↑ 4.6 薄膜沉积均匀性 ?
更新时间:2019-11-23 15:58 浏览:77 关闭窗口 打印此页

  薄膜技术-7 化学气相沉积 主要内容 ? 化学气相沉积背景 ? 化学反应类型 ? 化学气相沉积的热力学 ? 化学气相沉积的动力学 ? 化学气相沉积设备 一、化学气相沉积背景 化学气相沉积CVD (chemical vapor deposition): 通过化合物气体(一般为挥发性的化合物)与其它气 体进行化学反应生成固体薄膜 反应气体输运 气体组分的扩散 表面吸附 表面扩散 表面化学反应 副产物解离脱附 CVD 气压 沉积几率 绕行性 应用 100Pa ~1atm 小 好 半导体,耐磨,高温防护涂层 PVD several Pa 大 差 优点 缺点 高纯薄膜,有效控制薄膜化学 成分,生产效率高 沉积温度高 二、化学反应类型 ? 热解反应 ? 还原反应 ? 氧化反应 ? 置换反应 ? 歧化反应 ? 气相输运 CVD的特点: ? 一个固相+几个气相 aA(g) ? bB(g) ? cC(s) ? dD(g) ? 反应可逆 三、CVD过程的热力学 化学反应方程及其平衡条件 ?化学反应方程: aA? bB ? cC ?各组分自由能 Gi ? Gi? ? RT ln ai ?反应自由能 ?G ? cGc ? aGA ? bGB ?G ? ?G? ? RT ln ? c C ? Aa? b B 影响化学反应的因素: ? 温度: ? ΔH0 0:T↑,K ↑ ,有利于生成物反应; ? ΔH0 0: T↑,K ↓ ,有利于反应物生成; ? 提高温度,有利于化学反应向吸热方向进行; ? 压力: ? 提高压力,有利于化学反应向减小体积的方向进行; 反应前后体积不变,压力没有影响 化学气相沉积热力学计算 ? 热力学计算目的及其复杂性: ? 预测化学反应进行的可能性;提供化学反应的 平衡点位置;了解工艺参数对平衡点的影响; ? 热力学计算必须包括实际化学反应过程中所涉 及的所有化学反应 热力学计算的局限性 ? 热力学计算结果只能定性预测化学气相沉积 过程的方向与限度 ? 处理实际问题时,还需考虑气体运输特性等 动力学因素的影响 四、CVD过程的动力学 ? 气体的运输 ? 宏观流动 ? 气体的强制对流 ← 压力差 ? 气体的自然对流 ← 温度不均 ? 气体扩散 ? 气相反应 ? 表面吸附、表面反应 ? 吸附与脱俯 ? 表面扩散 ? 表面化学反应及形成薄膜结构 沉积速度 膜厚的均匀性 反应物利用效率 4.1 气体输运过程 ? 输运与粘滞流: ? 气体输运过程中,气体与器壁或基片相 对运动而产生摩擦 → 粘滞现象 ? 粘滞流使基片表面附近速度不均匀分布 → 对薄膜生长控制具有指导意义; ? 平板表面气流界面层厚度函数: 基片长度的函数 ? 气体输运过程 ? 气体在容器流动0.1r0Re ? 气体速度分布为抛物线形式分布 v ? ?P 4? (r02 ? r2) ? 粘滞流层厚度与薄膜生长: ? 粘滞流层将薄膜生长和反应物层流分开,因此影响着反应物 向基片的输运和薄膜生长; ? 提高反应气体向基片的输运,需要减小粘滞流层的厚度; ?提高气体流速,增加气体雷诺数值;CVD中雷诺数在几百左 右;但增加气体成本 ?当气体雷诺数超过2100时,将发生层流向涡流的转变;不稳 定的气体涡旋将影响薄膜生长的稳定性; ?雷诺数与气体的密度和粘滞系数有关; ? 气体的对流(Convection): ? 对流是与扩散不同的气体流动方式; ? 特点:热气上升、冷气下降; ? 抑制对流的方法: ?提高气流流速可抑制对流; ?高温区上置可抑制对流; ? 对流的利用:对流可以提高质量输运, 从而提高薄膜的生长速率; ? 气体的扩散: ? 气相边界层 ? 化学组分浓度梯度引起扩散 ? 气体的扩散流通量: 0.1-10cm2/s 基片表面的气体压强 粘滞层厚度 D与压强成反比,减小反应器中压力可提高气体的输运速率 4.2 气相化学反应 ? 一级化学反应:反应 速度与反应物浓度的 一次方成正比; ? 二级化学反应:反应 速度与反应物浓度的 乘积成正比; ?反应级数: 参加反应碰撞过程的分子 取决反应的具体进程和其中的限制性环节 WF6 (g) ? 3H2 (g) ? W (s) ? 6HF (g) 限制性环节 ( 1 2 )H 2 ? H 反应平衡时,R=0 ?E k ? k0e RT 正反应激活能 反应激活能 负反应激活能 ? G* ?G* ??G R ? k0?n1e RT ? k0?n2e RT n1 ? 1 ? k0? ? ?G e RT n2 K k0? ? ?G0 K ? e RT k0? ? k0? ? k0 的缺乏导致沉积预测困难 TiCl4 ? 2H2 ? Ti ? 4HCl TiCl4 ? TiCl3 ? Cl 高压,分子碰撞频繁 分解速度快 低压,分子碰撞频率低 分解速度降低 4.3 表面吸附及表面化学反应 ? 扩散通量J ? 表面俘获几率δ ? 凝聚系数Sc ? 扩散通量中最终溶入薄膜的分子比例 ? 决定薄膜的生长速率 ? PVD: Sc≈1 ? CVD:Sc小,平衡时,Sc=0 ? 物理吸附:vander Waals力 ? 化学吸附:化学键 物理吸附 物理吸附 化学吸附 脱附 化学吸附速率: Rr ? kr ns ? kr ns0? 化学脱附速率: Rd ? kd nd ? kd ns0? 吸附分子面密度 吸附分子可以占据的面密度 所有可能被占据的表面吸附位置中已被物理吸附分子所占的比例 假设:物理吸附了分子的表面位置不会再吸附新的分子 J? (1? ?) ? Rr ? Rd ? (kr ? kd )ns0? ?? J? J? ? ns0 (kr ? kd ) Sc ? Rr J ? J? kr ns0? ? ns0 (kr ? kd ) J很小 Rr ? kr ns ? kr ns0? ? kr? kr ? kd J Rr ? J J 很小 ? Rr ? 1? kd 0 ? Ed ?Er e RT J kr0 Ed ? Er ? 0 Ed ? Er ? 0 T ?? Rr ? T ?? Rr ? 促进脱附强于促进反应 促进反应强于促进脱附 4.4 表面扩散 ? 扩散需要克服相应的能垒Es ? 温度对扩散和脱附的作用 ? 沉积机制控制温度区 ? 脱附机制控制温度区 Js ? ?Ds dns dx ? Es Ds ? Ds0e RT ?? ? Es Dt ? e 2RT ? Ed kd ? kd 0e RT 4.5 基片温度 ? 温度与生长速率: ? 扩散沉积流:正比于气体从体内到 基片表面的浓度梯度和扩散系数; 气相质量 输运系数 ? 反应消耗流: 反应率常数 ? 动态平衡关系: ? hg ? D ? 温度对气相质量输运系数和反应率常数作用不同 ? 生长类型: ? 高温生长:kshg ,扩散控制 ? 低温生长:kshg, 表面反应控制 ? 生长速率: ? 低温: 表面反应速度控制 ? 高温: 扩散控制 薄膜生长过程选择扩散控制生长的温度! 反应生成热与生长速率: ? 正向反应是放热反应: ? ΔH + 0,ΔH ?0 ? T↑ ,反向反应速率>正向反应 薄膜生长速率↓ ? 正向反应是吸热反应: ? ΔH + 0,ΔH ?0 ? T↑,反向反应速率<正向反应 薄膜生长速率↑ 4.6 薄膜沉积均匀性 ? 反应气体在x方向上流速不变 ? 整体温度恒定 ? 长度足够大 ? 轴向生长速率方程: ? 当基片法向方向与气体流动的方向垂直时,所导致的 薄膜生长速率的不均匀称为轴向均匀性问题; ? 质量扩散流:质量流在基片两端的差等于沉积质量; ? 浓度的变化率: ? 稳态解: ? 轴向生长速率的均匀性: ?扩散速度小于气流速度 ?沉积速率随距离的增加呈指数下降! ? 薄膜的轴向生长速率严重不均匀; ?倾斜基片使薄膜生长的均匀性得以改善; ?提高气体流速v和装置的尺寸b ?调整装置内温度分布,影响扩散系数D的分布 五、CVD装置 ? 气体传输和计量装置 ? 加热、冷却系统 ? 线 高温和低温CVD装置 ? 气相反应物的过饱和度 ? 沉积温度 ? 单晶薄膜:气相过饱和度低、温度高 ? 多晶或非晶薄膜: 高温CVD ? 炉体:冷壁型、热壁型 ? 炉壁加热方式:射频加热/辐射加热 ? 样品放置:倾斜/平置 ? 特点:简单经济、稳定高效;腐蚀、 污染、耗能; ? 应用:外延Si薄膜制备、TiN, TiC等 超硬涂层等 低温CVD ? 工作温度: ≤700℃ ? 应用领域:主要用于集成电路、电子器件等对沉积 温度有比较严格限制的绝缘薄膜制备; ? 集成电路中SiN等钝化、扩散阻挡层的制备; ? 集成电路中的SiO2绝缘层的制备; 5.2 低压CVD沉积(LPCVD) ? 工作线Pa P 0.1MPa ? D提高3个数量级,V提高1-2个数量级,δ增加3-10 倍,沉积速率提高10倍以上 ? 优点: ? 提高生产效率、降低成本; ? 改善薄膜的质量:提高薄膜的致密度、减少针孔; ? 控制薄膜的厚度和均匀性以及化学成分匹配; 5.3 激光辅助CVD ? 激光—辅助激发手段(加热和光催化),促进 或控制CVD过程 ? 利用激光可聚焦的特点进行选择沉积 ? 作用: ? 热作用:激光加热 ? 光作用:促进气体分子分解 ? 应用 ? 金属薄膜:金属化合物—光分解 ? 绝缘介质薄膜:光催化 5.4 金属有机物CVD(MOCVD) ? 工作气体:低温高挥发性的金属有机物; ? 工作温度:300 ℃ ? 700℃ ? 应用: ? 高质量半导体化合物薄膜材料,如:III-V、II-VI; ? 高密度DRAM等多组分铁电薄膜材料; ? 特点: ? 成分组分控制比较好,可以大面积沉积、均匀性好、致密; ? 工作气体成本比较高; 5.5 等离子体增强CVD(PECVD) ? 原理:采用等离子体辅助对化合物进行催化分解; ? PECVD的目的:利用等离子体辅助活化反应气体,降低 反应温度,改善薄膜质量; 习题 1、CVD包括哪些过程?有哪些化学反应? 2、比较CVD和PVD 3、 CVD热力学与动力学的用途? 4、基片温度是如何影响CVD过程的?制备薄 膜应如何选择基片温度? 5、CVD薄膜的均匀性主要受哪些因素的影响? 如何改进?

  化学气相沉积(薄膜技术)_化学_自然科学_专业资料。薄膜技术-7 化学气相沉积 主要内容 ? 化学气相沉积背景 ? 化学反应类型 ? 化学气相沉积的热力学 ? 化学气相沉积的动力学 ? 化学气相沉积设备 一、化学气相沉积背景 化学气相沉积CV

友情链接:

公司地址:

监督热线: