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气相沉积法是如何用于制造半导体薄膜的?
2020年04月14日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:2023
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化学气相沉积(CVD,Chemical Vapor Deposition)是纳米制造领域的一项著名技术,在大规模集成电路、绝缘材料、磁性材料、光电触摸材料领域有着不可或缺的重要地位。通过利用气相间的反应,它能将蒸发的反应物沉积在表面形成薄膜,比如说石墨烯就是CVD最广为认知的产物,但目前看来,制备薄膜半导体材料也是它最受重视的应用之一

 

气相沉积法的原理

CVD的研究始于十九世纪末,主要用于重要材料的合成和制备。若想知道CVD是如何制造特定薄膜的,那就得先了解它的原理。

CVD属于“自下而上”的纳米制造技术,其原理是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室,通过提高温度、等离子体作用、光的辐射或其他形式的能量,使它们在衬底表面发生化学反应,生成新的固态物质沉积到表面生成薄膜的过程。

 

CVD法原理示意图

CVD包括4个主要阶段:①反应气体向材料表面扩散;②反应气体吸附于材料的表面;③在材料表面发生化学反应;④气态副产物脱离材料表面。由于是分子级别的成核或生长,所以CVD更适合在形状不规则的衬底表面形成致密均匀的薄膜,而且沉积速度快膜层质量也很稳定某些特殊膜层还具有优异的光学、热学和电学性能因而易于实现批量生产。

但是CVD的沉积温度通常很高900℃~2000℃之间容易引起零件变形和组织上的变化从而降低机体材料的机械性能并削弱机体材料和镀层间的结合力使基片的选择、沉积层或所得工件的质量都受到限制。因此,目前中、低温和高真空两个方面是CVD的主要发展方向

气相沉积法在半导体薄膜中的应用

目前,CVD可用于许多单原子材料,如由碳原子构成的石墨烯但对于半导体材料来说,这个过程可能会更复杂,因为它们通常包含多个金属原子。举个例子,它是已知最早的(也是最简单的)半导体材料之一,其薄膜可以在化学气相沉积反应器系统中由硅烷SiH4)产生

如果想制造更复杂的半导体薄膜,如砷化镓(GaAs氮化镓(GaN)薄膜,那就需要用到金属有机化学气相沉积MOCVD与许多其他 CVD 技术一样,MOCVD是CVD技术的延伸和改进版本——在此过程中超纯气体注入反应器中精细计量以将非常薄的原子层沉积到半导体晶片上含有所需化学元素的有机化合物或金属有机物和氢化物的表面反应为晶体生长创造条件,形成材料和化合物半导体的外延。不同于传统的硅半导体,这些半导体可以包含的组合III族和V族,II族和VI族,IV族或第IV族,V和VI族的元素。

 

MOCVD反应腔

另外,MOCVD的沉积温度相对较低因此对于那些不能承受常规CVD高温而要求采用中低温度的基体如钢一类的基体有很高的应用价值。GaN等材料外,MOCVD技术生长的多晶SiO2是良好的透明导电材料MOCVD得到的TiO2结晶膜用于了太阳能电池的抗反射层、水的光电解及光催化分解等方面。

资料来源:

化学气相沉积技术的研究与应用进展杨西杨玉华

How is Chemical Vapor Deposition Used to Create Thin Films for Semiconductors?By Liam Critchley.

粉体圈小榆

 


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