ĐỀ tài môn PHƯƠNG PHÁ THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP CVD

TRNG H KHOA HC T NHIấN TP. H CH MINH
KHOA VT Lí


TO VAT LY ệNG DUẽNG
TI MễN PHNG PHP THC NGHIM

Giỏo viờn hng dn: T.S Lờ Trn
Thc hin: Nguyn Th Ho
Lp: Quang hc K21

TP. H CH MINH 10/2011


Đề tài phương pháp thực nghiệm

2011

NỘI DUNG
I. ĐỊNH NGHĨA
Lắng đọng hơi hóa học là phương pháp mà vật liệu rắn được lắng đọng từ pha
hơi thông qua các phản ứng hóa học xảy ra ở gần bề mặt đế được nung nóng để tạo
thành màng mỏng.
II. QUÁ TRÌNH TẠO MÀNG BẰNG CVD
Quá trình tạo màng bằng phương pháp CVD có thể được mô tả đơn giản như
sau:
−

Precursor (khí phản ứng dạng hơi) được đưa vào buồng phản ứng di chuyển
tạo thành dòng hơi

−

Một phần precursor này di chuyển qua những lớp biên để đến đế thông qua
sự đối lưu

− Precursor được khuếch tán trên bề mặt đế
− Trên đề xảy ra phản ứng hóa học của precursor tạo màng
−

Những sản phẩm dư thừa sẽ được giải hấp khuếch tán khỏi bề mặt đế theo
dòng hơi ra ngoài

Quá trình tạo màng bằng phương pháp CVD có thể được mô tả theo sơ đồ sau:


Đề tài phương pháp thực nghiệm

2011

Quá trình tạo phản ứng tạo màng có thể được mô tả theo sơ đồ sau:
to

III. HỆ THỐNG THIẾT BỊ CVD
−

Hệ thống chân không – làm sạch buồng phản ứng ứng tạo môi trường áp
suất thấp

−

Buồng phản ứng – nơi quá trình ngưng tụ xảy ra

−

Nguồn nhiệt – cung cấp nhiệt để cho chất khí phản ứng

−

Bộ phận cung cấp nhiệt cho tia (target) để làm bay hơi vật liệu

−

Hệ thống vận chuyển khí (precursor) vào và ra khỏi buồng phản ứng

−

Hệ thống hút khí thải và khí thừa ra và hệ thống xử lí khí thải
Hệ thống xử

−

Bộ phận giữ đế và bộ phận cung cấp nhiệt cho đế

−

Hệ thống các van điều khiển

lí khí thải

Tấm

lọc

ecursor
pr

Buồng chứa khí

Buồng phản ứng

Van

Bơm khí
thải ra


Đề tài phương pháp thực nghiệm

2011

IV. ĐIỀU KIỆN CẦN CHO QUÁ TRÌNH TẠO MÀNG BẰNG CVD
− Màng mỏng sẽ ngưng tụ trên đế khi tồn tại pha hơi quá bão hòa trên đế đó.
− Nhiệt độ đế cao để tạo ra phản ứng hóa học: 900-1200oC
− Thành buồng phản ứng nóng hay lạnh tùy vào từng loại loại CVD
− Đối với Precursor (chất khí phản ứng):


Tính chất dễ bay hơi phải thích hợp để đạt được tốc độ bay hơi thích
hợp tại nhiệt độ bay hơi vừa phải



Sự bền để phân ly không xảy ra trong suất quá trình bay hơi



Khoảng nhiệt độ giữa bay hơi và lắng đọng đủ để lắng đọng màng



Độ tinh khiết cao



Phân ly sạch mà không có sự hợp nhất của những tạp chất dư



Tương thích tốt với co-precursor trong sự phát triển của những vật
liệu phức tạp



Bền với môi trường xung quanh và không khí ẩm


Đề tài phương pháp thực nghiệm



Sản xuất dễ dàng với độ bền cao và giá thành thấp



Không nguy hiểm hoặc mức độ nguy hiểm thấp.

2011

 Mở rộng:
Một số precursor dùng nhiều trong công nghiệp:
 Hydrides: SiH4, AsH3 ...;
 Metal alkyls: AlBu3, GaEt3…
 Metal halides: WF6, TiCl4
−

Buồng phản ứng

Thành buồng nóng:
 Dòng khí dễ dàng phản ứng với thành buồng.
 Định kì làm sạch thành buồng
Thành buồng lạnh:
 Dòng khí khó phản ứng với thành buồng
 Khó kiểm soát nhiệt độ phản ứng
V.

PHẢN ỨNG HÓA HỌC TRONG QUÁ TRÌNH TẠO MÀNG

Đặc trưng của phương pháp CVD được phân biệt bởi các phản ứng hóa học
trong quá trình lắng đọng hình thành màng:
− Phản ứng phân hủy
AB (khí)  A (rắn) + B (khí)

0

800 −1300 C
Vd: SiH 4 →
Si + 2 H 2

− Phản ứng oxi hóa - khử
Phản ứng phân hủy có sự tác động của chất khí khác
AB (khí) + C (khí)  A (rắn) + BC (khí) (C: kim loại hay halogen)


Đề tài phương pháp thực nghiệm

2011

AB (khí) + 2D (khí)  AD(rắn) + BD (khí) (D: oxy hay Nito)
Vd: SiCl4 + 2H2  Si +4HCl
− Phản ứng thủy phân
AB2 (khí) + 2H2O (khí) AO(khí) + BO(khí) + H2O (khí)
− Vận chuyển hóa học

→ AB (khí)
A(rắn) + B(khí) ¬



Phương pháp này thường áp dụng để chế tạo các vật liệu khó tạo ra pha hơi,
− Phản ứng trùng hợp
xA (khí)  Ax (rắn)
Quá trình trùng hợp thường được thực hiện nhờ:

 Bắn phá điện tử hoặc ion.
 Chiếu xạ quang, tia X, tia γ
 Phóng điện.
 Xúc tác bề mặt
VI. CÁC CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN VÀ QUÁ TRÌNH TRONG CVD
a. Vận chuyển nhiệt
Các quá trình CVD làm việc ở nhiệt độ khác nhiệt độ phòng. Đôi khi chỉ có
mẫu bị đun nóng (thành bình lạnh), trong một số trường hợp khác buồng bị nung
nóng (thành bình nóng). Đôi khi các quá trình xảy ra ở nhiệt độ thấp (ví dụ lắng
đọng của parylene từ dimer precursor). Sự thay đổi của nhiệt độ đòi hỏi sự vận
chuyển nhiệt từ một bộ phận cấp nhiệt tới mẫu. Nhiệt độ của dòng khí sẽ bị ảnh
hưởng bởi môi trường xung quanh nó (bao gồm thành buồng và đế được nung nóng),
và nhiệt độ này sẽ ảnh hưởng trở lại phản ứng hóa học ở pha khí.
 Sự truyền nhiệt xảy ra theo 3 cách chủ yếu:


Đề tài phương pháp thực nghiệm

−

2011

Dẫn nhiệt (Thermal conduction): sự vận chuyển nhiệt trong chất rắn, chất
lỏng, hoặc chất khí. Sự truyềnnhiệt trong chất khí có cơ chế giống như trong
vận chuyển khối. vận chuyển nhiệt trong chất rắn có thể nghĩ giống như sự
khuếch tán của phonon (sự dao động mạng) . sự dẫn nhiệt rất khác nhau
trong những vật liệu khác nhau.

−

Đối lưu (Convection): xảy ra trong môi trường chất lỏng hoặc khí, khi có
gradient nhiệt độ dẫn đến sự giãn nở nhiệt khác nhau. Cơ chế này cũng giống
như trong vận chuyểnkhối ta sẽ xét bên dưới.

−

Bức xạ nhiệt (Thermal radiation): xảy ra ngay cả ở trong chân không bởi
sự vận chuyển của cácphoton.
b. Ngưng tụ

Trong lắng đọng hơi hóa học CVD, việc tạo ra nguồn cung cấp pha hơi vật liệu
(precursor) là cần thiết. Hơi vật liệu sẽ ngưng tụ trên bề mặt đế khi tồn tại pha hơi
quá bão hòa trên đế đó. Dòng ngưng tụ là hàm phụ thuộc vào dòng tới. Tại nhiệt độ
đế xác định, dòng tới có một giá trị giới hạn gọi là dòng giới hạn. Khi dòng tới lớn
hơn dòng giới hạn thì màng được hình thành và nhỏ hơn thì không nhận được lắng
đọng. Nhiệt độ đế càng cao thì dòng giới hạn càng lớn.
c. Hấp phụ
Hấp phụ hóa học (liên kết cộng hóa trị mạnh được hình thành giữa phân tử và
bề mặt).
Để tạo màng thì các nguyên tử phải hấp phụ hóa học lên trên đế. Khi các phân
tử ở trên bề mặt, chúng có thể thay đổi vị trí xung quanh một chút. Và có thể có các
phản ứng trên bề mặt để tạo thành màng. Chuyển động của những mẫu trên bề mặt


Đề tài phương pháp thực nghiệm

2011

kim loại và bán dẫn là lớn nhất, nơi mà những liên kết là không định hướng, và hạn
chế đối với bề mặt điện môi n ơi mà liên kết cộng hóa trị định hướng cao dẫn đến sự

giữ chặt một phân tử ở một chỗ khi nó bị hấp thụ hoá học.
VII. ƯU ĐIỂM CỦA CVD
− Màng có độ dày đồng đều cao, ít bị xốp.
− Màng có độ tinh khiết cao.
− Có thể phủ trên những đế có cấu hình phức tạp.
− Có thể phủ giới hạn ở những khu vực (dùng trang trí hoa văn)
− Màng có tính xếp chặt
− Có khả năng lắng đọnh hợp kim nhiều thành phần
− Tốc độ lắng đọng cao (đến 1 µ m /phút)
− Hệ thiết bị đơn giản
VIII. NHƯỢC ĐIỂM CỦA CVD
− Cơ chế phản ứng phức tạp
− Nhiệt độ đế cao hơn nhiều so với các phương pháp khác (19000F)
− Đế và các dụng cụ trong buồng phản ứng dễ bị ăn mòn bởi dòng hơi
− Nhiều sản phẩn khí sau phản ứng có tính độc nên cần hệ thống xử lí khí thải
−

Một số vật liệu không tạo màng bằng phương pháp này do không có phản
ứng hóa học thích hợp
IX. ỨNG DỤNG CỦA CVD

− Phương pháp CVD dùng để chế tạo nhiều loại màng mỏng:
 Chất bán dẫn: Si, AIIBVI, AIIIBV…


Đề tài phương pháp thực nghiệm

2011

 Màng mỏng ôxít dẫn điện trong suốt: SnO2,In2O3:Sn(ITO)..

 Màng mỏng điện môi: SiO2, Si3N4, BN, Al2O3, …
 Màng mỏng kim loại
−

Trong công nghiệp vi điện tử: màng cách điện, dẫn điện, lớp chống gỉ,
chống oxi hóa

− Trong chế tạo sợi quang chịu nhiệt, độ bền cao
− Chế tạo pin mặt trời
− Chế tạo sợi composit nhiệt độ cao
− Chế tạo vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao

X.

PHÂN LOẠI CVD

Phương pháp CVD được phân thành những loại chính sau:
− Thermal CVD: CVD kích hoạt phản ứng bằng nhiệt, thường được thực hiện
ở nhiệt độ cao (> 900oC). Đây là phương pháp đầu tiên và cổ điển.
−

APCVD (Atmospheric pressure chemical vapor deposition): tốc độ lắng
đọng cao, đơn giản. Nhưng màng không đồng đều, không sạch bằng LPCVD.
Dùng chủ yếu tạo màng oxit

−

LPCVD (Low pressure chemical vapor deposition): buồng phản ứng có áp
suất thấp (cần có hệ thống hút chân không). Màng cực kì đều và độ sạch cao.
Nhưng tốc độ lắng đọng màng lại thấp hơn APCVD. Dùng tạo màng silic,

màng điện môi


Đề tài phương pháp thực nghiệm

2011

− MOCVD (Metal organic chemical vapor deposition): CVD nhiệt nhưng sử
dụng precursor là hợp chất hữu cơ kim loại. Phương pháp được dùng tạo
nhiều loại màng: màng bán dẫn, màng kim loại, màng oxit kim loại, màng
điện môi. Nhưng cực kì độc, vật liệu nguồn rất đắt, ảnh hưởng đến môi
trường.
 Mở rộng:
Một số vật liệu chỉ lắng đọng ở áp suất rất thấp, do đó chúng rất khó bị hóa
hơi. Một giải pháp là tìm cách gắn kết những kim loại Al, Cu, Ga với một chất
hữu cơ mà có áp suất hóa hơi cao. Các hợp chất hữu cơ thường có áp suất hóa
hơi cao như cồn. Liên kết kim hoại hữu cơ rất yếu nên có thể bị bẽ gãy bằng
nhiệt ở trên đế, nên khi dùng áp suất cao để lắng đọng thì kim loại sẽ lắng đọng
còn chất hữu cơ sẽ bị bơm ra ngoài.
Phương pháp này cực kì độc vì cơ thể con người hấp thụ các hợp chất hữu cơ
rất dễ. Khi vào cơ thể, những liên kết kim loại-hữu cơ rất dễ bị phá vỡ và làm
cơ thể nhiễm độc. Mà những kim loại thì khó có thể lấy ra khỏi cơ thể nên giải
pháp tình thế là thay máu.
− PECVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition): sử dụng năng lượng
của plasma để kích hoạt phản ứng. Nhiệt độ phản ứng khoảng 300-500 oC.

−

Buồng phản ứng – nơi quá trình ngưng tụ xảy ra

−

Nguồn nhiệt – cung cấp nhiệt để cho chất khí phản ứng

−

Bộ phận cung cấp nhiệt cho tia (target) để làm bay hơi vật liệu

−

Hệ thống vận chuyển khí (precursor) vào và ra khỏi buồng phản ứng


Đề tài phương pháp thực nghiệm

−

Hệ thống hút khí thải và khí thừa ra và hệ thống xử lí khí thải

−

Bộ phận giữ đế và bộ phận cung cấp nhiệt cho đế

−

Hệ thống các van điều khiển

2011