8英寸化學氣相石墨烯沉積生長系統

1. 8英寸石墨烯薄膜的化學氣相沉積制備； 2. 二維材料的等離子體輔助化學氣相沉積； 3. 固態(tài)源法制備石墨烯、氮化硼等二維晶體與異質結構。 2100433B

1、可完成常壓工藝和低真空工藝； 2、全套石英真空生長腔體，用于在最大直徑200mm芯片上生長石墨烯薄膜； 3、自動懸臂石英舟送取片方式； 4、全自動控制系統，實現“一鍵式”操作。完備的實時監(jiān)控和顯示功能，設備各種狀態(tài)直接顯示到界面上，一目了然。強大的程序編輯、修改、存儲功能，支持幾十到幾百步程序，可存儲上萬種程序，并在自動模式下自動執(zhí)行?？梢苑奖愕匦薷囊延泄に囄募に囄募嫒胗嬎銠C，可以隨時調用，工藝文件中錯誤的指令不會被執(zhí)行，并發(fā)出錯誤提示； 5、配備德國Busch變頻無油機械泵，氮氣吹掃，無需維護； 6、反應腔基本真空50mTorr，正常工藝真空度200mtorr到500torr。

化學氣相沉積是制備各種薄膜材料的一種重要和普遍使用的技術，利用這一技術可以在各種基片上制備元素及化合物薄膜?；瘜W氣相沉積相對于其他薄膜沉積技術具有許多優(yōu)點：它可以準確地控制薄膜的組分及摻雜水平使其組分具有理想化學配比；可在復雜形狀的基片上沉積成膜；由于許多反應可以在大氣壓下進行，系統不需要昂貴的真空設備；化學氣相沉積的高沉積溫度會大幅度改善晶體的結晶完整性；可以利用某些材料在熔點或蒸發(fā)時分解的特點而得到其他方法無法得到的材料；沉積過程可以在大尺寸基片或多基片上進行。

化學氣相沉積的明顯缺點是化學反應需要高溫；反應氣體會與基片或設備發(fā)生化學反應；在化學氣相沉積中所使用的設備可能較為復雜，且有許多變量需要控制。

化學氣相沉積有較為廣泛的應用，例如利用化學氣相沉積，在切削工具上獲得的TiN或SiC涂層，通過提高抗磨性可大幅度提高刀具的使用壽命；在大尺寸基片上，應用化學氣相沉積非晶硅可使太陽能電池的制備成本降低；化學氣相沉積獲得的TiN可以成為黃金的替代品從而使裝飾寶石的成本降低。而化學氣相沉積的主要應用則是在半導體集成技術中的應用，例如：在硅片上的硅外延沉積以及用于集成電路中的介電膜如氧化硅、氮化硅的沉積等。

沉積反應一、一般化學氣相沉積反應

在化學氣相沉積中，氣體與氣體在包含基片的真空室中相混合。在適當的溫度下，氣體發(fā)生化學反應將反應物沉積在基片表面，最終形成固態(tài)膜。在所有化學氣相沉積過程中所發(fā)生的化學反應是非常重要的。在薄膜沉積過程中可控制的變量有氣體流量、氣體組分、沉積溫度、氣壓、真空室?guī)缀螛嬓偷取Ｒ虼?，用于制備薄膜的化學氣相沉積涉及三個基本過程：反應物的輸運過程，化學反應過程，去除反應副產品過程。廣義上講，化學氣相沉積反應器的設計可分成常壓式和低壓式，熱壁式和冷壁式。常壓式反應器運行的缺點是需要大流量攜載氣體、大尺寸設備，膜被污染的程度高；而低壓化學氣相沉積系統可以除去攜載氣體并在低壓下只使用少量反應氣體，此時，氣體從一端注入，在另一端用真空泵排出。因此，低壓式反應器已得到廣泛應用和發(fā)展。在熱壁式反應器中，整個反應器需要達到發(fā)生化學反應所需的溫度，基片處于由均勻加熱爐所產生的等溫環(huán)境下；而在冷壁式反應器中，只有基片需要達到化學反應所需的溫度，換句話說，加熱區(qū)只局限于基片或基片架。

下面是在化學氣相沉積過程中所經常遇到的一些典型的化學反應。

1．分解反應

早期制備Si膜的方法是在一定的溫度下使硅烷SiH₄分解，這一化學反應為：

SiH₄（g） ——→Si（s） 2H₂（g）

許多其他化合物氣體也不是很穩(wěn)定，因而利用其分解反應可以獲得金屬薄膜：

Ni（CO）₄（g）——→Ni（s） 4CO（g）

Til2（g）——→Ti（s） 2I（g）

2．還原反應

一個最典型的例子是H還原鹵化物如SICl₄獲得Si膜：

SiCl4（g） 2H2（g）——→Si（s） 4HCl（g）

其他例子涉及鎢和硼的鹵化物：

WCl₆（g） 3H₂（g）——→W（s） 6HCl（g）

WF₆（g） 3H₂（g）——→W（s） 6HF（g）

2BCl₃（g） 3H2（g）——→2B（g） 6HCI（g）

氯化物是更常用的鹵化物，這是因為氯化物具有較大的揮發(fā)性且容易通過部分分餾而鈍化。氫的還原反應對于制備像Al、Ti等金屬是不適合的，這是因為這些元素的鹵化物較穩(wěn)定。

3．氧化反應

SiO₂通常由SiH₄的氧化制得，其發(fā)生的氧化反應為：

SiH₄（g） O₂（g）——→SiO₂（s） 2H₂（g）反應可以在450℃較低的溫度下進行。

常壓下的化學氣相反應沉積的優(yōu)點在于它對設備的要求較為簡單，且相對于低壓化學氣相反應沉積系統，它的價格較為便宜。但在常壓下反應時，氣相成核數將由于使用的稀釋惰性氣體而減少。

SiCl₄和GeCl₄的直接氧化需要高溫：

SiCl₄（g） O₂（g）——→SiOz（s） 2Cl₂（g）

GeCl₄（g） O₂（g）——→GeO₂（s） 2Cl₂（g）

由氯化物的水解反應可氧化沉積Al：

Al₂Cl₆（g） 2CO₂（g） 3H₂（g）——→Al₂O₃（s） 6HCl（g） 3CO（g）

4．氮化反應和碳化反應

氮化硅和氮化硼是化學氣相沉積制備氮化物的兩個重要例子：

3SiH₄（g） 4NH₃（g）——→Si₃N₄（s） 12H₂（g）

下列反應可獲得高沉積率：

3SiH₂Cl₂（g） 4NH₃（g）——→Si₃N₄（s） 6HCI（g） 6H2（g）

BCl₃（g） NH₃（g）——→BN（s） 3HCl（g）

化學氣相沉積方法得到的膜的性質取決于氣體的種類和沉積條件(如溫度等)。例如，在一定的溫度下，氮化硅更易形成非晶膜。在碳氫氣體存在情況下，使用氯化還原化學氣相沉積方法可以制得TiC：

TiCl₄（g） CH₄（g）——→TiC（s） 4HCl（g）

CH₃SiCl₃的熱分解可產生碳化硅涂層：

CH₃SiCl₃（g）——→SiC（s） 3HCl（g）

5．化合反應

由有機金屬化合物可以沉積得到Ⅲ～V族化合物：

Ga(CH3)₃（g） AsH₃（g）——→GaAs（s） 3CH₄（g）

如果系統中有溫差，當源材料在溫度T1時與輸運氣體反應形成易揮發(fā)物時就會發(fā)生化學輸運反應。當沿著溫度梯度輸運時，揮發(fā)材料在溫度T2(T1>T2)時會發(fā)生可逆反應，在反應器的另一端出現源材料：

6GaAs（g） 6HCI（g）?As₄（g） As₂（g）) 6GaCI（g） 3H₂（g）（T1正反應，T2逆反應）

在逆反應以后，所獲材料處于高純態(tài)。

沉積反應二、化學氣相沉積制備薄膜的傳統方法

下表給出了化學氣相沉積制備薄膜時所使用的化學氣體以及沉積條件。

熱化學氣相沉積(TCVD)是指利用高溫激活化學反應進行氣相生長的方法 。

熱化學氣相沉積按其化學反應形式可分成幾大類：

（1）化學輸運法(chemical t ransport)：構成薄膜物質在源區(qū)與另一種固體或液體物質反應生成氣體.然后輸運到一定溫度下的生長區(qū)，通過相反的熱反應生成所需材料，正反應為輸運過程的熱反應，逆反應為晶體生長過程的熱反應。

（2）熱解法(pyrolysis)：將含有構成薄膜元素的某種易揮發(fā)物質，輸運到生長區(qū)，通過熱分解反應生成所需物質，它的生長溫度為1000-1050攝氏度。

（3）合成反應法(synthesis)：幾種氣體物質在生長區(qū)內反應生成所生長物質的過程，上述三種方法中，化學輸運法一般用于塊狀晶體生長，分解反應法通常用于薄膜材料生長，合成反應法則兩種情況都用。熱化學氣相沉積應用于半導體材料，如Si,Cae,GaAs,InP等各種氧化物和其它材料 。