Химическое осаждение из газовой фазы

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

Химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ) (химическое парофазное осаждение, англ. Chemical vapor deposition, CVD) — 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 в реакцию и/или разлагаясь, производят на поверхности подложки необходимое вещество. Часто образуется также газообразный продукт реакции, выносимый из камеры с потоком газа.

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

Термическое ХОГФ с горячими стенками

Плазменно-химическое осаждение из газовой фазы

Различные виды CVD широко используются и часто упоминаются в литературе^{[какой?]}. Процессы различаются по способам запуска химических реакций и по условиям протекания процесса.

Классификация по давлению

• CVD при атмосферном давлении (англ. Atmospheric Pressure chemical vapor deposition (APCVD)) — CVD-процесс проходит при атмосферном давлении.
• CVD при пониженном давлении (англ. Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD)) — CVD-процесс при давлении ниже атмосферного. Пониженное давление снижает вероятность нежелательных реакций в газовой фазе и ведёт к более равномерному осаждению плёнки на подложку. Большинство современных CVD-установок — либо LPCVD, либо UHVCVD.
• Вакуумный CVD (англ. Ultra high vacuum chemical vapor deposition (UHVCVD)) — CVD-процесс проходит при очень низком давлении, обычно ниже 10⁻⁶ Па (~ 10⁻⁴ мм рт. ст.).

Классификация по физическим характеристикам пара

• CVD с участием аэрозоля (англ. Aerosol Assisted Chemical vapor deposition (AACVD)) — CVD-процесс в котором прекурсоры транспортируются к подложке в виде аэрозоля, который может создаваться различными способами, например, ультразвуком.
• CVD с прямой инжекцией жидкости (англ. Direct liquid injection chemical vapor deposition (DLICVD)) — CVD-процесс, при котором прекурсор подаётся в жидкой фазе (в чистом виде либо растворённым в растворителе). Жидкость впрыскивается в камеру через инжектор (часто используются автомобильные). Данная технология позволяет достигать высокой производительности формирования плёнки.

Плазменные методы

Основная статья: Плазменно-химическое осаждение из газовой фазы

• Усиленный плазмой CVD (англ. Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)) — CVD-процесс, который использует плазму для разложения прекурсоров, активации поверхности подложки и ионного ассистирования. За счёт более высокой эффективной температуры поверхности подложки, данный метод работает 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 (англ. Microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD)).
• Усиленный непрямой плазмой CVD (англ. Remote plasma-enhanced CVD (RPECVD)) — в отличие от PECVD, в плазме газового разряда происходит только разложение прекурсоров, 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 магнитных полей или повышения давления газа).

Иные методы

• Атомно-слоевое осаждение (англ. Atomic layer CVD (ALCVD)) — формирует последовательные слои различных материалов для создания многоуровневой кристаллической плёнки.
• Пламенное разложение (англ. Combustion Chemical Vapor Deposition (CCVD) ) — процесс сгорания в открытой атмосфере.
• CVD с горячей нитью (англ. Hot wire chemical vapor deposition (HWCVD) / hot filament CVD (HFCVD)) — также известен как каталитический CVD (англ. Catalitic chemical vapor deposition (Cat-CVD)). Использует горячий носитель для ускорения реакции газов.
• Металлорганический CVD (англ. Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD)) — CVD-процесс, использующий металлоорганические прекурсоры.
• Гибридное физико-химическое парофазное осаждение (англ. Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition (HPCVD)) — процесс, использующий и химическую декомпозицию прекурсора, и испарение твёрдого материала.
• Быстродействующее термическое химическое парофазное осаждение (англ. Rapid thermal CVD (RTCVD)) — 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 (англ. Vapor phase epitaxy (VPE)).

Материалы для микроэлектроники

Благодаря тому, что метод химического осаждения из газовой фазы позволяет получать конформные покрытия высокой сплошности, он широко используется в микроэлектронном производстве для получения диэлектрических и проводящих слоёв.

Поликристаллический кремний

Поликристаллический кремний получают из силанов при следующей реакции:

SiH₄ → Si + 2 H₂

Реакция обычно проводится в LPCVD системах, либо с подачей чистого силана, или растворе силана в 70—80 % азоте. Температуры между 600 и 650 °С и давление от 25 до 150 Па позволяют достигать скорости отложения от 10 до 20 нм в минуту. Альтернативное решение использует водородно-базированный раствор, что снижает скорость роста при повышении температуры до 850 или даже 1050 °С.

Диоксид кремния

Диоксид кремния (часто называемый просто «оксидом» в индустрии полупроводников) может наноситься несколькими различными процессами. Реакции следующие:

SiH₄ + O₂ → SiO₂ + 2 H₂

SiCl₂H₂ + 2 N₂O → SiO₂ + 2 N₂ + 2 HCl

Si(OC₂H₅)₄ → SiO₂ + побочные продукты

Нитрид кремния

Нитрид кремния часто используют как изолятор и химический барьер при производстве интегральных микросхем. Используют следующие две реакции:

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

Основная статья: Осаждение металлорганических соединений из газообразной фазы

ХОГФ широко используют для нанесения молибдена, тантала, титана, никеля и вольфрама. При нанесении на кремний эти металлы могут формировать полезные силициды. Mo, Ta и Ti производят LPCVD из их пентахлоридов. Ni, Mo, W могут при низких температурах производиться из карбонильных прекурсоров. В целом, для металла M, реакция выглядит так:

2 MCl₅ + 5 H₂ → 2 M + 10 HCl

Обычно источником вольфрама становится гексафторид вольфрама, который реагирует 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

Литература

• Hugh O. Pierson. Handbook of Chemical Vapor Deposition, 1999. ISBN 978-0-8155-1432-9.
• Сыркин В. Г. CVD-метод. Химическое парофазное осаждение. — М.: Наука, 2000. — 482 с. — ISBN 5-02-001683-7.
• Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов. — М.: Радио и связь, 1986. — 232 с.

• Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 328 с.

Ссылки

• Chemical Vapour Deposition (CVD) — An Introduction  (англ.)