CVD化学与薄膜工艺1

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1、化学气相淀积与薄膜工艺ChemicalVaporDeposition&ThinFilmTechnology孟广耀Tel:3603234Fax:3607627mgym@ustc.edu.cn中国科学技术大学材料科学与工程系固体化学与无机膜研究所Ch.3化学气相淀积系统中的质量输运－原理和和技术3。1CVD系统中物质输运过程及其作用3。2气体的一些性质（1）气态方程（2）输运性质3。3开管气流系统中的质量输运（1）水平反应管中的气流状态（2）气态组分向生长表面的转移（3）实例：Ga–HCl-NH3-H2体系3。4封管系统中的质量输运

2、（1）系统总压和输运机制（2）输运速率的计算（3）实验验证薄膜生长前驱物气体衬底托架卧式反应器衬底立式反应器气相输运载气载气气态源液态源固态源前驱物气体前驱物/源挥发纳米粉制备气相外延砷化镓单晶薄膜Reactionsystem:Ga–AsCl3–H2GasourceAsCl3+3/2H2=1/4As4+3HClreactions:Ga+HCl=GaCl+H2Deposition:1/4As4+GaCl+1/2H2=GaAs+HCl图1-6Ga-AsH3-PH3-HCl-H2系统沉积GaAs1-xPxSiHCl3+H2=Si+3HC

3、l氯硅烷氢还原法生产多晶硅装置简图[172]图1-7碘封管化学输运生长硒化锌单晶Low-PressureCVDSystemPlasma-EnhancedCVDECR-CVD(ECR:electroncyclotronresonance)PECVD(plasmaenhancedCVD)LPCVD(lowpressureCVD)End-feedLPCVDDistributed-feedLPCVDCVD反应器设计CVD装置设计包括：1）源物质（先躯物）的供应、调节系统（载气、阀门、气路、源区、流量调节等）2）反应器（构型、尺寸、衬底支撑

4、体、加热和附加能量方式等）设计3）尾气排除或真空产生系统4）自动控制系统Ch.3化学气相淀积系统中的质量输运－原理和和技术3。1CVD系统中物质输运过程及其作用3。2气体的一些性质（1）气态方程（2）输运性质3。3开管气流系统中的质量输运（1）水平反应管中的气流状态（2）气态组分向生长表面的转移（3）实例：Ga–HCl-NH3-H2体系3。4封管系统中的质量输运（1）系统总压和输运机制（2）输运速率的计算（3）实验验证3。2气体的一些性质－(1)气态方程♣理想气体的状态方程（2.1）n为气体克分子数；N为阿伏伽德罗常数；R是气体

5、常数；k是玻耳兹曼常数，由此可得到气体的密度ρ，式中M为分子量。♣实际气体状态方程－范德瓦尔方程：(2.2)许多气体的a、b值有表可查[26]。在化学气相淀积实践中，总压力不很高，仅封管过程有时达数大气压。这种情况下，采用理想气体方程不会引入多大误差。例如：氯气在50大气压下按理想气体计算，误差仅有-2.6％。3。2气体的一些性质－(2)输运性质（η）♣粘度系数η由分子运动论可以导出粘度系数的★理论表达式:式中ρ为气体密度；为单位体积(毫升)中的分子数；而；、、M、d分别为气体分子的平均速度、平均自由程、分子量和有效直径。可见，η

6、与气体的压力或密度无关，与绝对温度T呈平方根的关系。事实上，η随温度的变化满足如下经验关系[28]★与温度的关系式（2.4）如果已知某温度下的粘度系数η1，利用该式可估算使用温度下的η2值。纯组分的η值一船有表可查[29]，也有一些经验计算公式。在化学气相淀积实践中，经常涉及到气体混合物，它们的η值可用Reid等所推荐的经验公式求算[27]。3。2气体的一些性质－(2)输运性质（η）Wilke计算法(2.5)式中为低压混合气体的粘度(厘泊)；ηi、ηj分别为纯组分i和j的低压粘度(匣泊)；yI、yJ分别为i、j的克分子分数；用该式

7、计算了许多二元气体混合物体系，跟实验值相比，偏差一般在1％以内，最大偏差为3～4％。Herning和Zipperer计算法：（2.6）该式用于富氢混合气体(开管气流CVD系统多半如此)，其精度在3％以内，但不能用于粘度-组成曲线上有极大值的混合物。3。2气体的一些性质－(2)输运性质(D)♣扩散系数D只要有浓度梯度存在，气体就会沿梯度方向迁移。令J为单位时间内通过单位等浓面的物质量，J又称为“扩散流密度”或“扩散流”，则有费克第一定律：(2.7)式中负号表示物质向着浓度减小的方向扩散。浓度c一般为时间和位置的函数。在稳态情况下，c

8、不随时间变化；扩散系数D为常数，其单位为厘米2/秒，数值上等于单位浓度梯度时的“扩散流”。从分子运动论出发，用统计的方法，同样可求得D的理论表达式(2.8)因分子数与压力成正比，所以一定温度下扩散系数与压力成反比,与温度成反比:(2.9)(2.10