Хими́ческое осажде́ние из га́зовой фа́зы (ХОГФ) (химическое парофазное осаждение, ) — 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
Различные виды CVD широко используются и часто упоминаются в литературе. Процессы различаются по видам химических реакций и по условиям протекания процесса.
Классификация по давлению CVD при атмосферном давлении () — CVD-процесс проходит при атмосферном давлении. CVD при пониженном давлении () — 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 () — CVD-процесс проходит при очень низком давлении, обычно ниже
Классификация по физическим характеристикам пара CVD с участием аэрозоля () — CVD-процесс в котором прекурсоры транспортируются к подложке в виде аэрозоля, который может создаваться различными способами, например, ультразвуком. CVD с прямой инжекцией жидкости () — 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 () — 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 (). Усиленный непрямой плазмой CVD () — 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 () — формирует последовательные слои различных материалов для создания многоуровневой кристаллической плёнки. Пламенное разложение () — процесс сгорания в открытой атмосфере. CVD с горячей нитью () — также известен как каталитический CVD (). Использует горячий носитель для ускорения реакции газов. Металлорганический CVD () — CVD-процесс, использующий металлоорганические исходные вещества. Гибридное физико-химическое парофазное осаждение () — процесс, использующий и химическую декомпозицию прекурсора, и испарение твёрдого материала. Быстродействующее термическое химическое парофазное осаждение () — 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 ().
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:
SiH4 -> Si + 2 H2.
Реакция обычно проводится в LPCVD системах, либо с подачей чистого силана, или смеси силана и азота. При температуре от и и при давление от 25 до скорость осаждения от 10 до в минуту. Альтернатива — использование смеси силана с водородом, что снижает скорость роста даже при повышении температуры до или
Диоксид кремния Диоксид кремния (часто называемый просто «оксидом» в индустрии полупроводников) может наноситься несколькими различными процессами. Используются реакции окисления силана кислородом:
SiH4 + O2 -> SiO2 + 2 H2,
взаимодействием дихлорсилана с закисью азота:
SiCl2H2 + 2 N2O -> SiO2 + 2 N2 + 2 HCl,
разложением тетраэтоксисилана:
Si(OC2H5)4 -> SiO2 + побочные продукты.
Нитрид кремния Нитрид кремния часто используют как изолятор и диффузионный барьер при производстве интегральных микросхем. Используют реакцию взаимодействия силана с аммиаком:
3 SiH4 + 4 NH3 -> Si3N4 + 12 H2,
3 SiCl2H2 + 4 NH3 -> Si3N4 + 6 HCl + 6 H2.
Следующие две реакции используют в плазменных процессах для отложения SiNH:
2 SiH4 + N2 -> 2 SiNH + 3 H2, SiH4 + NH3 -> SiNH + 3 H2.
Металлы
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 MCl5 + 5 H2 -> 2 M + 10 HCl.
Обычно используемое соединение вольфрама — гексафторид вольфрама, который осаждают двумя способами:
WF6 -> W + 3 F2, WF6 + 3 H2 -> W + 6 HF.
См. также Вакуумное напыление (PVD-процесс) Термическое напыление Атомно-слоевое осаждение Термическое окисление Ионное распыление
Примечания
Литература Hugh O. Pierson. Handbook of Chemical Vapor Deposition, 1999. ISBN 978-0-8155-1432-9.
Ссылки Chemical Vapour Deposition (CVD) — An Introduction
Категория:Покрытия Категория:Вакуум Категория:Технологии электроники Категория:Тонкие плёнки