Tải bản đầy đủ

CVD được thực hiện trong một loạt các

LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA CHẤT
Lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một quá trình hóa học sử dụng để sản xuất chất lượng cao, hiệu suất cao, vật liệu rắn. Quá
trình này thường được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn để sản xuất màng mỏng. Trong điển hình CVD, các wafer
(chất nền) được tiếp xúc với một hoặc nhiều biến động tiền chất, trong phản ứng và / hoặc phân hủy trên bề mặt chất nền để
sản xuất gửi mong muốn. Thường xuyên, ổn định các sản phẩm cũng được sản xuất, được loại bỏ bằng khí chảy qua các
buồng phản ứng.
Quy trình vi chế sử dụng rộng rãi CVD để vật liệu trong các hình thức khác nhau, bao gồm: monocrystalline, đa tinh thể, vô
định hình, và epitaxy. Những vật liệu này bao gồm: silic (SiO2, germanium, carbide, nitride, oxynitride), cacbon (xơ, sợi
nano, ống nano, kim cương và graphene), fluorocarbon, sợi, vonfram, titan nitride và high-k chất điện môi khác nhau.


CVD được thực hiện trong một loạt các định dạng. Các quá trình này thường có sự khác biệt trong
phương tiện mà các phản ứng hóa học được khởi xướng.
- Phân loại theo áp suất vận hành:
+ CVD áp suất khí quyển (APCVD) - CVD ở áp suất khí quyển.
+ CVD áp suất thấp (LPCVD) -. CVD ở áp suất khí quyển tiểu [1] Giảm áp lực có xu hướng giảm các
phản ứng khí giai đoạn không mong muốn và cải thiện tính đồng bộ phim trên wafer.
+ CVD siêu cao chân không (UHVCVD) - CVD ở áp suất rất thấp, thường dưới 10-6 Pa (~ 10-8 torr).
Lưu ý rằng trong các lĩnh vực khác, một bộ phận thấp hơn giữa chân không cao và siêu cao là phổ
biến, thường 10-7 Pa.
Hiện đại nhất CVD hoặc là LPCVD hoặc UHVCVD.



- Phân loại theo đặc tính vật lý của hơi:

+ Sol khí CVD hỗ trợ (AACVD) - CVD trong đó các tiền chất được vận chuyển đến bề mặt bằng
phương tiện của một bình phun chất lỏng / khí, có thể được tạo ra bằng siêu âm. Kỹ thuật này phù
hợp để sử dụng với tiền chất không bay hơi.
+ Trực tiếp chất lỏng phun CVD (DLICVD) - CVD trong đó các tiền chất ở dạng lỏng (chất lỏng hoặc
chất rắn hòa tan trong một dung môi thuận tiện). các giải pháp chất lỏng được bơm vào một buồng
bay hơi đối với kim phun (thường là kim phun xe). Hơi tiền này sau đó được vận chuyển đến các
chất nền như trong bệnh tim mạch cổ điển. Kỹ thuật này phù hợp để sử dụng trên tiền chất lỏng
hoặc rắn. tốc độ tăng trưởng cao có thể đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật này.


- Phương pháp huyết tương (xem thêm xử lý Plasma):
+ Lò vi sóng plasma hỗ trợ tim mạch (MPCVD)
+ Plasma-Enhanced CVD (PECVD) - CVD mà sử dụng plasma để nâng cao tốc độ phản ứng hóa học
của các tiền chất [2] xử lý PECVD cho phép tích tụ ở nhiệt độ thấp, mà thường là rất quan trọng
trong sản xuất chất bán dẫn. Nhiệt độ thấp hơn cũng cho phép cho sự lắng đọng của các lớp phủ
hữu cơ, chẳng hạn như các polyme trong huyết tương, đã được sử dụng cho các chức năng bề mặt
hạt nano alization. [3]
+ CVD từ xa plasma nâng cao (RPECVD) - Tương tự như PECVD ngoại trừ các chất nền wafer không
phải là trực tiếp trong khu vực phóng điện plasma. Loại bỏ các wafer từ vùng plasma cho phép
nhiệt độ xử lý xuống đến nhiệt độ phòng.


- Nguyên tử lớp CVD (ALCVD) - Tiền gửi các lớp liên tiếp của các chất khác nhau để sản xuất, bộ
phim kết tinh nhiều lớp. Xem lớp epitaxy nguyên tử.
- Đốt hóa Vapor Deposition (CCVD) - đốt hóa Vapor Deposition hoặc ngọn lửa nhiệt phân là một mở
không khí, kỹ thuật ngọn lửa dựa trên ký quỹ màng mỏng chất lượng cao và vật liệu nano.
- Dây tóc nóng CVD (HFCVD) - còn được gọi là bệnh tim mạch xúc tác (Cat-CVD) hoặc phổ biến
hơn, bắt đầu CVD (iCVD), quá trình này sử dụng một dây tóc nóng để phân hủy hóa học các khí
nguồn [4]
- Nhiệt độ dây tóc và nhiệt độ bề mặt do đó. được kiểm soát một cách độc lập, cho phép nhiệt độ
lạnh hơn cho giá hấp phụ tốt hơn ở bề mặt và nhiệt độ cao cần thiết để phân hủy các tiền thân của
các gốc tự do ở dây tóc. [5]


- Lai vật lý-hóa học Vapor Deposition (HPCVD) - Quá trình này liên quan đến cả hai phân hủy hóa
học của khí tiền thân và bay hơi của một nguồn rắn.

- Lắng đọng hơi hóa chất Metalorganic (MOCVD) - quá trình CVD này được dựa trên tiền thân
metalorganic.
- Nhanh chóng CVD nhiệt (RTCVD) - quá trình CVD này sử dụng đèn sưởi ấm hoặc các phương pháp
khác để nhanh chóng làm nóng bề mặt wafer. Nóng chỉ đế chứ không phải là các bức tường khí
hoặc buồng giúp giảm các phản ứng khí giai đoạn không cần thiết mà có thể dẫn đến sự hình thành
phân.
- Vapor pha epitaxy (VPE)
- Ảnh khởi xướng CVD (PICVD) - Quá trình này sử dụng ánh sáng tia cực tím để kích thích phản ứng
hóa học. Nó tương tự như xử lý plasma, cho rằng plasma là nguồn phát mạnh mẽ của bức xạ tia cực
tím. Dưới những điều kiện nhất định, PICVD có thể được vận hành tại hoặc gần áp suất khí quyển.
[6]


** Sử dụng :
- CVD thường được sử dụng để gửi màng giác và tăng cường bề mặt chất nền trong những cách mà
các kỹ thuật sửa đổi bề mặt truyền thống hơn là không có khả năng.
- CVD là cực kỳ hữu ích trong quá trình lắng đọng lớp nguyên tử tại ký quỹ lớp rất mỏng của vật
liệu. Một loạt các ứng dụng cho các bộ phim như vậy tồn tại. Gallium axenua được sử dụng trong
một số các mạch tích hợp (IC) và các thiết bị quang điện. Vô định hình silicon được sử dụng nhiều
trong các thiết bị quang điện. Một số cacbua và nitrit trao mặc-kháng. [7] trùng hợp của CVD, có lẽ
là linh hoạt nhất của tất cả các ứng dụng, cho phép lớp phủ siêu mỏng mà có một số phẩm chất rất
mong muốn, chẳng hạn như bôi trơn, sợ nước và thời tiết kháng đến tên một vài . [8] CVD các
khung kim loại hữu cơ, một loại vật liệu xốp tinh thể nano, gần đây đã được chứng minh. [9] các
ứng dụng cho những bộ phim được mong đợi trong cảm biến khí và thấp k chất điện môi


** Vật liệu thương mại quan trọng chuẩn bị bởi CVD
* Poly silicon
Đa tinh thể silicon được gửi từ (SiHCl3) hoặc silane (SiH4), sử dụng các phản ứng sau: [10]
SiH3Cl → Si + H2 + HCl
SiH4 → Si + 2 H2
Phản ứng này thường được thực hiện trong hệ thống LPCVD, với một trong hai nguyên liệu silane
tinh khiết, hoặc một dung dịch silan với 70-80% nitơ. Nhiệt độ giữa 600 và 650 ° C và áp suất từ 25
đến 150 Pa mang lại tốc độ tăng trưởng từ 10 đến 20 nm mỗi phút. Một quá trình thay thế sử dụng
một giải pháp hydro-based. Hydro làm giảm tốc độ tăng trưởng, nhưng nhiệt độ được nâng lên đến
850 hoặc thậm chí 1050 ° C để bù đắp. Polysilicon có thể được trồng trực tiếp với doping, nếu


các khí như phosphine, Arsine hoặc Diborane được thêm vào các buồng CVD. Diborane làm tăng tốc
độ tăng trưởng, nhưng Arsine và phosphine giảm.
* Silicon đioxit
Silicon đioxit (thường được gọi đơn giản là "oxit" trong ngành công nghiệp bán dẫn) có thể được gửi
bởi các quá trình khác nhau. khí nguồn thường gặp bao gồm silane và oxy, dichlorosilane (SiCl2H2)
và nitơ oxit [11] (N2O), hoặc tetraethylorthosilicate (TEOS; Si (OC2H5) 4). Những phản ứng như sau
[cần dẫn nguồn]:
SiH4 + O2 → SiO2 + 2 H2
SiCl2H2 + 2 N2O → SiO2 + 2 N2 + 2 HCl
Si (OC2H5) 4 → SiO2 + sản phẩm phụ


Sự lựa chọn của nguồn khí phụ thuộc vào sự ổn định nhiệt của các chất nền; Ví dụ, nhôm là nhạy
cảm với nhiệt độ cao. tiền gửi Silane giữa 300 và 500 ° C, dichlorosilane vào khoảng 900 ° C, và
TEOS giữa 650 và 750 ° C, kết quả trong một lớp oxit nhiệt độ thấp (LTO). Tuy nhiên, silane sản xuất
một oxit-chất lượng thấp hơn so với các phương pháp khác (cường độ điện môi thấp hơn, ví dụ), và
nó không con chính thức. Bất kỳ của các phản ứng này có thể được sử dụng trong LPCVD, nhưng
phản ứng silane cũng được thực hiện trong APCVD. CVD oxit luôn có chất lượng thấp hơn so với oxit
nhiệt, nhưng quá trình oxy hóa nhiệt chỉ có thể được sử dụng trong giai đoạn sớm nhất của sản xuất
vi mạch. Oxit cũng có thể được phát triển với các tạp chất (hợp kim hoặc "doping"). Điều này có thể
có hai mục đích. Trong suốt quá trình bước tiếp xảy ra ở nhiệt độ cao, các tạp chất có thể khuếch
tán từ oxit vào lớp liền kề (đáng chú ý nhất silic) và dope họ.


Oxit chứa 5-15% tạp chất theo khối lượng thường được sử dụng cho mục đích này. Ngoài ra, silicon
đioxit tạo hợp kim với photpho pentoxit ("P-kính") có thể được sử dụng để làm phẳng các bề mặt
không đồng đều. P-kính làm mềm và chỉnh lại dòng ở nhiệt độ trên 1000 ° C. Quá trình này đòi hỏi
một sự tập trung phốt pho ít nhất là 6%, nhưng nồng độ cao hơn 8% có thể ăn mòn nhôm. Photpho
được gửi từ khí phosphine và oxy:

4 PH3 + 5 O2 → 2 P2O5 + 6 H2

Kính có chứa cả bo và photpho (borophosphosilicate kính, BPSG) trải qua dòng chảy nhớt ở nhiệt độ
thấp hơn; khoảng 850 ° C có thể đạt được với kính có chứa khoảng 5% khối lượng của cả hai thành
phần, nhưng sự ổn định trong không khí có thể khó khăn để đạt được. Photpho oxit ở nồng độ cao
tương tác với môi trường xung quanh ẩm để tạo ra axít photphoric.


Các tinh thể BPO4 cũng có thể kết tủa từ thủy tinh chảy vào làm mát; các tinh thể này không dễ
dàng khắc trong plasma phản ứng tiêu chuẩn dùng để mô hình oxit, và sẽ gây dị tật bẩm mạch
trong sản xuất mạch tích hợp. Bên cạnh đó các tạp chất có chủ ý, CVD oxit có thể chứa các sản
phẩm phụ của sự lắng đọng. TEOS sản xuất một oxit tương đối tinh khiết, trong khi silane giới thiệu
các tạp chất hydro, và dichlorosilane giới thiệu clo.
Lắng đọng nhiệt độ thấp hơn silicon đioxit và kính pha tạp từ TEOS ozone hơn oxy cũng đã được
khám phá (350-500 ° C). kính Ozone có conformality tuyệt vời, nhưng có xu hướng hút ẩm - đó là,
chúng hấp thụ nước từ không khí do sự kết hợp của silanol (Si-OH) trong kính. quang phổ hồng
ngoại và căng cơ học như là một hàm của nhiệt độ là các công cụ chẩn đoán có giá trị để chẩn đoán
các vấn đề như vậy.
* Silicon nitrit


Silicon nitrit thường được sử dụng như một chất cách điện và chất rào cản trong CCN sản xuất. Sau
đây hai phản ứng silicon nitrit tiền gửi từ pha khí:

3 SiH4 + 4 NH3 → Si3N4 + 12 H2

3 SiCl2H2 + 4 NH3 → Si3N4 + 6 HCl + 6 H2
Silicon nitrit gửi bởi LPCVD chứa lên đến 8% hydro. Nó cũng kinh nghiệm ứng suất kéo mạnh, có thể
phá vỡ màng dày hơn 200 nm. Tuy nhiên, nó có điện trở suất cao hơn và sức mạnh điện môi hơn so
với hầu hết các chất cách điện thường có sẵn trong vi chế (1016 Ω • cm và 10 MV / cm, tương ứng).
Một hai phản ứng có thể được sử dụng trong huyết tương để gửi sinh viên:

2 SiH4 +

N2 → 2 Sinh + 3 H2
SiH4 + NH3 → Sinh + 3 H2
Những màng có cường độ căng ít hơn nhiều, nhưng tính chất điện tồi tệ hơn (điện trở suất 1061.015 Ω • cm, và sức mạnh điện môi 1-5 MV / cm).


* Kim loại
CVD đối với volfram đạt được từ vonfram hexafluoride (WF6), trong đó có thể được lưu giữ trong hai
cách:
WF6 → W + 3 F2
WF6 + 3 H2 → W + 6 HF
Các kim loại khác, đặc biệt là nhôm và đồng, có thể được gửi bởi bệnh tim mạch. Tính đến năm
2010, thương mại CVD chi phí-hiệu quả cho đồng không tồn tại, mặc dù các nguồn biến động tồn
tại, như Cu (hfac) 2. Đồng thường được gửi bằng điện. Nhôm có thể được gửi từ
triisobutylaluminium (TIBAL) và các hợp chất organoaluminium liên quan.
CVD molypden, tantali, titan, niken là sử dụng rộng rãi [cần dẫn nguồn]. Những kim loại này có thể
hình thành silicides hữu ích khi lắng trên silicon. Mo, Ta và Ti được gửi bởi LPCVD, từ pentachlorides
của họ.


Niken, molypden, và vonfram có thể được gửi tại nhiệt độ thấp từ các tiền chất cacbonyl của họ. Nói
chung, cho một M kim loại độc đoán, phản ứng clorua lắng đọng như sau:
2 MCl5 + 5 H2 → 2 M + 10 HCl
trong khi các phản ứng cacbonyl phân hủy có thể xảy ra một cách tự nhiên điều trị nhiệt hoặc
cavitation âm thanh và như sau:
M (CO) n → M + n COsự phân hủy của carbonyls kim loại thường dữ dội kết tủa
bằng độ ẩm, không khí, khi oxy phản ứng với tiền kim loại tạo kim loại hoặc oxit kim loại cùng với
carbon đioxit.
lớp Niobium (V) oxit có thể được sản xuất bởi sự phân hủy nhiệt của niobi (V) ethoxide với sự mất
mát của diethyl ether [13] [14] theo phương trình:
2 Nb (OC2H5) 5 → Nb2O5 + 5 C2H5OC2H5


* Graphene
Nhiều biến thể CVD có thể được sử dụng để tổng hợp graphene. Mặc dù có nhiều tiến bộ đã được thực hiện, các quy trình
được liệt kê dưới đây không phải là khả năng thương mại nào.
- Nguồn carbon
Các nguồn carbon phổ biến nhất được sử dụng để sản xuất graphene là khí mêtan. lựa chọn ít phổ biến bao gồm nhựa đường
dầu khí, đáng chú ý là không tốn kém nhưng khó khăn hơn để làm việc với. [15]
- Sử dụng chất xúc tác
Việc sử dụng chất xúc tác là khả thi trong việc thay đổi quá trình vật lý của sản xuất graphene. ví dụ đáng chú ý bao gồm
các hạt nano sắt, niken bọt, và hơi gali. Các chất xúc tác hoặc có thể được sử dụng tại chỗ trong graphene tích tụ, [15] [16]
hoặc nằm ở một khoảng cách xa ở khu vực đọng. [17] Một số chất xúc tác cần bước một để loại bỏ chúng từ các nguyên liệu
mẫu. [16]


- Điều kiện vật chất
Điều kiện vật chất như áp lực xung quanh, nhiệt độ, khí mang, và vật liệu buồng đóng một vai trò
lớn trong sản xuất graphene.
Hầu hết các hệ thống sử dụng LPCVD với các áp lực khác nhau, 1-1500 Pa. [15] [17] [18] [19] Tuy
nhiên, một số vẫn sử dụng APCVD. [16] áp lực thấp được sử dụng phổ biến hơn vì chúng giúp ngăn
chặn các phản ứng không mong muốn và sản xuất nhiều hơn độ dày như nhau lắng đọng trên bề
mặt.
Mặt khác, nhiệt độ sử dụng khoảng từ 800-1050 ° C. [15] [16] [17] [18] [19] Nhiệt độ cao dịch để
tăng tốc độ phản ứng. Phạt cảnh cáo phải được thực hiện khi nhiệt độ cao làm gây ra mức độ nguy
hiểm cao hơn, thêm vào chi phí năng lượng lớn hơn.


- Khí mang
Khí hydro và khí trơ như argon được chảy vào hệ thống. [15] [16] [17] [18] [19] Các chất khí này
hoạt động như một tàu sân bay, tăng cường phản ứng bề mặt và cải thiện tốc độ phản ứng, do đó
làm tăng lắng đọng của graphene lên trên bề mặt.
- Nguyên liệu Phòng
Tiêu chuẩn thạch anh ống và buồng được sử dụng trong CVD graphene. [15] [16] [17] [18] [19]
Quartz được chọn vì nó có điểm nóng chảy rất cao và có tính trơ hoá học. Nói cách khác, thạch anh
không can thiệp với bất kỳ phản ứng vật lý hay hóa học không phụ thuộc vào điều kiện. - - Phương
pháp phân tích kết quả
Phổ Raman, X-quang phổ, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), và kính hiển vi điện tử quét (SEM)
được sử dụng để kiểm tra và đặc trưng cho các mẫu graphene


Phổ Raman được sử dụng để mô tả và xác định các hạt graphene; quang phổ tia X được sử dụng để
mô tả trạng thái hóa học; TEM được sử dụng để cung cấp các chi tiết đẹp về thành phần nội bộ của
graphene; SEM được sử dụng để kiểm tra bề mặt và địa hình.
Đôi khi, nguyên tử lực kính hiển vi (AFM) được sử dụng để đo lường các đặc tính địa phương như ma
sát và từ tính. [18] [19]
* Kim cương
Một viên ngọc mặt không màu
đá quý không màu được cắt ra từ viên kim cương lớn bởi sự lắng đọng hơi hóa chất
Bài chi tiết: CVD kim cương
lắng đọng hơi hóa học (CVD) có thể được sử dụng để sản xuất ra một viên kim cương tổng hợp bằng
cách tạo ra các tình huống cần thiết cho các nguyên tử cacbon trong chất khí để giải quyết trên
một chất nền ở dạng tinh thể.


CVD sản xuất kim cương đã nhận được rất nhiều sự chú ý trong các ngành khoa học vật liệu vì nó
cho phép nhiều ứng dụng mới của viên kim cương mà trước đây được coi là quá khó khăn để làm
kinh tế. CVD tăng trưởng kim cương thường xảy ra dưới áp suất thấp (1-27 kPa; 0,145-3,926 psi;
7,5-203 Torr) và liên quan đến việc cho ăn số lượng khác nhau của các chất khí vào trong buồng,
tiếp thêm sinh lực cho họ và tạo điều kiện cho tăng trưởng kim cương trên bề mặt. Các chất khí
luôn luôn bao gồm một nguồn carbon, và thường bao gồm hydro là tốt, mặc dù giá trị sử dụng khác
nhau rất nhiều tùy thuộc vào loại kim cương được trồng. Các nguồn năng lượng bao gồm dây tóc
nóng, công suất vi sóng, và thải ra hồ quang, trong số những người khác. Các nguồn năng lượng
được dùng để tạo ra một plasma, trong đó các loại khí được chia nhỏ và chất hóa học phức tạp hơn
xảy ra. Quá trình hóa học thực tế cho sự tăng trưởng kim cương vẫn đang được nghiên cứu và rất
phức tạp bởi sự đa dạng rất lớn của quá trình tăng trưởng kim cương được sử dụng.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×