Химическое осаждение из газовой фазы

Плазма ускоряет рост углеродных нанотрубок в лабораторной установке PECVD (Plasma Enhanced CVD).

Хими́ческое осажде́ние из га́зовой фа́зы (ХОГФ) (химическое парофазное осаждение, Шаблон:Lang-en) — процесс, используемый для получения высокочистых твёрдых материалов. Процесс часто используется в индустрии полупроводников для создания тонких плёнок. Как правило, при процессе CVD подложка помещается в пары одного или нескольких веществ, которые, вступая во взаимные реакции и/или разлагаясь, формируют на поверхности подложки слой необходимого вещества. Побочно часто образуется также газообразные продукты реакции, выносимые из камеры осаждения потоком газа-носителя.

С помощью CVD-процесса производят материалы различных структур: монокристаллы, поликристаллы, аморфные тела и эпитаксиальные. Примеры материалов: кремний, углеродное волокно, углеродное нановолокно, углеродные нанотрубки, графен, SiO₂, вольфрам, карбид кремния, нитрид кремния, нитрид титана, различные диэлектрики, а также синтетические алмазы.

Виды CVD

Схема термического химического осаждения из газовой фазы в камере с горячими стенками

Плазменно-химическое осаждение из газовой фазы

Различные виды CVD широко используются и часто упоминаются в литературеШаблон:Какой. Процессы различаются по видам химических реакций и по условиям протекания процесса.

Классификация по давлению

• CVD при атмосферном давлении (Шаблон:Lang-en) — CVD-процесс проходит при атмосферном давлении.
• CVD при пониженном давлении (Шаблон:Lang-en) — CVD-процесс при давлении ниже атмосферного. Пониженное давление снижает вероятность нежелательных побочных реакций в газовой фазе и ведёт к более равномерному осаждению плёнки на подложку. Большинство современных CVD-установок — либо LPCVD, либо UHVCVD.
• Вакуумный CVD (Шаблон:Lang-en) — CVD-процесс проходит при очень низком давлении, обычно ниже Шаблон:Nobr Шаблон:Nobr

Классификация по физическим характеристикам пара

• CVD с участием аэрозоля (Шаблон:Lang-en) — CVD-процесс в котором прекурсоры транспортируются к подложке в виде аэрозоля, который может создаваться различными способами, например, ультразвуком.
• CVD с прямой инжекцией жидкости (Шаблон:Lang-en) — CVD-процесс, при котором исходное вещество подаётся в жидкой фазе (в чистом виде либо растворённым в растворителе). Жидкость впрыскивается в камеру через инжектор (часто используются автомобильные инжекторы). Эта технология позволяет достигать высокой скорости формирования плёнки.

Плазменные методы

• Усиленный плазмой CVD (Шаблон:Lang-en) — CVD-процесс, который использует плазму для разложения исходных веществ, активации поверхности подложки и ионного травления. За счёт более высокой эффективной температуры поверхности подложки, данный метод применим при более низких температурах и позволяет получать покрытия, равновесные условия синтеза которых недостижимы иными методами из-за недопустимости перегрева подложек или иных причин. В частности, этим методом успешно получают алмазные плёнки и даже относительно толстые изделия, такие как окна для оптических систем.
• CVD активированный СВЧ плазмой (Шаблон:Lang-en).
• Усиленный непрямой плазмой CVD (Шаблон:Lang-en) — в отличие от PECVD, в плазме газового разряда происходит только разложение исходных веществ, в то время как сама подложка не подвергается её действию. Это позволяет исключить радиационные повреждения подложки и снизить тепловое воздействие на неё. Такой режим обеспечивается за счёт пространственного разделения областей разложения и осаждения и может дополняться различными методами локализации плазмы (например, при помощи магнитного поля или повышения давления газа).

Иные методы

• Атомно-слоевое осаждение (Шаблон:Lang-en) — формирует последовательные слои различных материалов для создания многоуровневой кристаллической плёнки.
• Пламенное разложение (Шаблон:Lang-en) — процесс сгорания в открытой атмосфере.
• CVD с горячей нитью (Шаблон:Lang-en) — также известен как каталитический CVD (Шаблон:Lang-en). Использует горячий носитель для ускорения реакции газов.
• Металлорганический CVD (Шаблон:Lang-en) — CVD-процесс, использующий металлоорганические исходные вещества.
• Гибридное физико-химическое парофазное осаждение (Шаблон:Lang-en) — процесс, использующий и химическую декомпозицию прекурсора, и испарение твёрдого материала.
• Быстродействующее термическое химическое парофазное осаждение (Шаблон:Lang-en) — CVD-процесс, использующий лампы накаливания или другие методы быстрого нагрева подложки. Нагрев подложки без разогрева газа позволяет сократить нежелательные реакции в газовой фазе.
• Парофазная эпитаксия (Шаблон:Lang-en).

Материалы для микроэлектроники

Метод химического осаждения из газовой фазы позволяет получать конформные покрытия высокой сплошности, и поэтому широко используется в микроэлектронном производстве для получения диэлектрических и проводящих слоёв.

Поликристаллический кремний

Поликристаллический кремний получают из силанов реакцией разложения:

$\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4⟶\mathrm{S}\mathrm{i}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$.

Реакция обычно проводится в LPCVD системах, либо с подачей чистого силана, или смеси силана и Шаблон:Nobr азота. При температуре от Шаблон:Nobr и Шаблон:Nobr и при давление от 25 до Шаблон:Nobr скорость осаждения от 10 до Шаблон:Nobr в минуту. Альтернатива — использование смеси силана с водородом, что снижает скорость роста даже при повышении температуры до Шаблон:Nobr или Шаблон:Nobr

Диоксид кремния

Диоксид кремния (часто называемый просто «оксидом» в индустрии полупроводников) может наноситься несколькими различными процессами. Используются реакции окисления силана кислородом:

$\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2,$

взаимодействием дихлорсилана с закисью азота:

$\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{N}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{N}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l},$

разложением тетраэтоксисилана:

$\mathrm{S}\mathrm{i}(\mathrm{O}\mathrm{C}{\phantom{A}}_2\mathrm{H}{\phantom{A}}_5){\phantom{A}}_4⟶\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$ + побочные продукты.

Нитрид кремния

Нитрид кремния часто используют как изолятор и диффузионный барьер при производстве интегральных микросхем. Используют реакцию взаимодействия силана с аммиаком:

$3\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4+4\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3⟶\mathrm{S}\mathrm{i}{\phantom{A}}_3\mathrm{N}{\phantom{A}}_4+12\mathrm{H}{\phantom{A}}_2,$

$3\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3⟶\mathrm{S}\mathrm{i}{\phantom{A}}_3\mathrm{N}{\phantom{A}}_4+6\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}+6\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$.

Следующие две реакции используют в плазменных процессах для отложения $\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{N}\mathrm{H}:$

$2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4+\mathrm{N}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{N}\mathrm{H}+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2,$

$\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3⟶\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{N}\mathrm{H}+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$.

Металлы

Шаблон:Main ХОГФ широко используют для нанесения молибдена, тантала, титана, никеля и вольфрама. При осаждении на кремний эти металлы могут формировать силициды с полезными свойствами. Mo, Ta и Ti осаждают в процессе LPCVD из их пентахлоридов. Ni, Mo, W могут при низких температурах осаждаться из карбонилов. Для пятивалентного металла M реакция восстановления из пентахлорида:

$2\mathrm{M}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_5+5\mathrm{H}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{M}+10\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$.

Обычно используемое соединение вольфрама — гексафторид вольфрама, который осаждают двумя способами:

$\mathrm{W}\mathrm{F}{\phantom{A}}_6⟶\mathrm{W}+3\mathrm{F}{\phantom{A}}_2,$

$\mathrm{W}\mathrm{F}{\phantom{A}}_6+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{W}+6\mathrm{H}\mathrm{F}$.

См. также

• Вакуумное напыление (PVD-процесс)
• Термическое напыление
• Атомно-слоевое осаждение
• Термическое окисление
• Ионное распыление

Литература

• Hugh O. Pierson. Handbook of Chemical Vapor Deposition, 1999. ISBN 978-0-8155-1432-9.
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга

• Шаблон:Книга

Ссылки

• Chemical Vapour Deposition (CVD) — An IntroductionШаблон:Ref-en