第2章薄膜沉积的化学方法
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1、Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-1-薄膜材料与技术Thin Film Materials & Technologies武涛 副教授2012年 秋季学期Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-2-2 薄膜沉积的化学方法概 念：薄膜制备过程中，凡是需要在一定化学反应发生的前提下完成薄膜制
2、备的 技术方法，统称为薄膜沉积的化学方法。条 件：化学反应需要能量输入和诱发优、缺点：设备简单、成本较低、甚至无需真空环境即可进行； 化学制备、工艺控制复杂、有可能涉及高温环境。分 类：极氧化处理电化学作用：电镀、阳、热生长热激活作用：CVD 为主本章内容以技术溶胶凝胶法化学镀溶液化学反应阳极氧化电镀电化学沉积液相反应方法热生长）化学气相沉积（气相反应方法CVD B-L CVD Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-3-2 薄膜沉积的化学方法2
3、.1 热生长概 念：指在充气环境下，通过加热基片的方式 直接获得氧化物、氮化物或碳化物薄膜 的方法。 特 点：非常用技术 主要用于生长金属或半导体的氧化物薄膜设 备：通常在传统的氧化炉中进行。主要应用：制备SiO2薄膜（用于Si器件制备）有用的薄膜性质：生长与沉积的区别：热生长设备及原理示意图yxOMeOMe2加热调节氧分压蒸汽作用：热生长氧化铋薄膜367 OBiOBiOBi323232防腐用途钝化特性电子线路半导体性质电子器件绝缘绝缘性质全外来）覆盖基体（薄膜物质完沉积为薄膜）消耗基体（部分基体转生长Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材
4、料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-4-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD，Chemical Vapor Deposition）概 念：气态反应物在一定条件下，通过化学反应，将反应形成的固相产物沉积于基片表面， 形成固态薄膜的方法。 基本特征：由反应气体通过化学反应沉积实现薄膜制备！设备的基本构成： 气体输运 气相反应 去除副产品 （薄膜沉积） Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Tec
5、hnology-5-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD，Chemical Vapor Deposition）化学反应的主控参数：。、基片放置及回转方式设备参数：真空室构型、温度、分压。气体参数：流量、组分 TiNSiCTiNTiC VIIIV-IIISi 装饰膜层：、高硬耐磨膜层：表面处理技术族等半导体薄膜族、半导体、介电膜层：膜，成本电池非晶换能器件膜层：太阳能半导体工业主要应用场合：主要优势：1）能形成多种金属、非金属和化合物薄膜； 2）组分易于控制，易获得理想化学计量比，薄膜纯度高； 3）成膜速度快、工效高（沉积速率 PVD、单炉处理批量大）； 4）沉积温度高、薄膜致密、
6、结晶完整、表面平滑、内部残余应力低； 5）沉积绕射性好，可在复杂不规则表面（深孔、大台阶）沉积；主要缺点：1）沉积温度高，热影响显著，有时甚至具有破坏性； 2）存在基片-气氛、设备-气氛间反应，影响基片及设备性能及寿命； 3）设备复杂，工艺控制难度较大。Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-6-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.1 CVD的主要化学反应类型一、热解反应：薄膜由气体反应物的热分解产物沉积而成。1）反应气体
7、：氢化物、羰基化合物、有机金属化合物等。2）典型反应： 硅烷沉积多晶Si和非晶Si薄膜： SiH4 (g) Si (s) + 2H2 (g) 6501100 羰基金属化合物低温沉积稀有金属薄膜： Ni(CO)4 (g) Ni (s) + 4CO (g) 140240 Pt(CO)2Cl2 (g) Pt (s) + 2CO (g) + Cl2 (g) 600 有机金属化合物沉积高熔点陶瓷薄膜： 2Al(OC3H7)3 (g) Al2O3(s)+6C3H6(g)+3H2O(g) 420 异丙醇铝 Tm2050 丙烯 单氨络合物制备氮化物薄膜： AlCl3NH3 (g) AlN (s) + 3HCl
8、 (g) 800-1000热解反应还原反应氧化反应置换反应歧化反应输运反应Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-7-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.1 CVD的主要化学反应类型二、还原反应：薄膜由气体反应物的还原反应产物沉积而成。1）反应气体：热稳定性较好的卤化物、羟基化合物、卤氧化物等 + 还原性气体。2）典型反应： H2还原SiCl4外延制备单晶Si薄膜： SiCl4 (g) + 2H2 (g) Si (s) +
9、 4HCl (g) 1200 六氟化物低温制备难熔金属W、Mo薄膜： WF6 (g) + 3H2 (g) W (s) + 6HF (g) 300 Tm3380热解反应还原反应氧化反应置换反应歧化反应输运反应Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-8-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.1 CVD的主要化学反应类型三、氧化反应：薄膜由气体氧化反应产物沉积而成。1）反应气体：氧化性气氛（如：O2）+ 其它化合物气体。2）典型反
10、应： 制备SiO2薄膜的两种方法： SiH4 (g) + O2 (g) SiO2 (s) + 2H2 (g) 450 SiCl4 (g) + 2H2 (g) + O2 (g) SiO2 (s) + 4HCl (g) 1500热解反应还原反应氧化反应置换反应歧化反应输运反应Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-9-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.1 CVD的主要化学反应类型四、置换反应：薄膜由置换反应生成的碳化物、氮化
11、物、硼化物沉积而成。1）反应气体：卤化物 + 碳、氮、硼的氢化物气体。2）典型反应： 硅烷、甲烷置换反应制备碳化硅薄膜： SiCl4(g) + CH4(g) SiC(s) + 4HCl(g) 1400 二氯硅烷与氨气反应沉积氮化硅薄膜： 3SiCl2H2(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 6H2(g) + 6HCl(g) 750 四氯化钛、甲烷置换反应制备碳化钛薄膜：TiCl4(g) + CH4(g) TiC(s) + 4HCl(g)热解反应还原反应氧化反应置换反应歧化反应输运反应Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与
