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chemische Gasphasenabscheidung

Chemical Vapor Deposition, CVD, eine Beschichtungstechnologie zur Abscheidung von meist dünnen Schichten aus der Gasphase auf einem festen Substrat. Im Gegensatz zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) geschieht dies unter Beteiligung einer chemischen Reaktion, z.B. reagiert eine flüchtige gasförmige Komponente mit einem anderen Gas zu einem festen Material, das abgeschieden wird. Durch die Vielzahl der möglichen chemischen Reaktionen kann mit der CVD eine sehr grosse Anzahl von Materialien hergestellt werden: dünne Metall-, Metalloxid- und Halbleiterschichten, Siliciumoxid- und Polymerschichten.

Das Prinzip des Verfahrens besteht darin, dass gasförmige Ausgangsmaterialien, sog. Precursoren, über ein Substrat geleitet und dort chemisch zerlegt werden, wodurch auf der Substratoberfläche eine neue Schicht wächst. Die Zerlegung der Precursoren erfolgt meist thermisch durch Heizen des Substrates, allerdings existieren auch andere Verfahren, wie z.B. die Plasmaanregung und die Anregung mittels Licht. Kernstück einer CVD-Anlage ist der Reaktor mit dem Substrat (Abb.). Er ist mit einem Gasleitungssystem verbunden, über das die Zuleitung der Precursoren, teils mit Hilfe eines Trägergases (H2, N2, He) erfolgt. Nach der chemischen Reaktion und dem Filmwachstum werden die verbleibenden Reaktanden abgepumpt. Je nach Druckbereich und Art der Precursor-Zerlegung unterscheidet man verschiedene CVD-Methoden, die spezifisch für das Wachstum bestimmter Materialien eingesetzt werden (Tab.). Das physikalische Verständnis der Vorgänge bei der CVD ist Gegenstand aktueller Forschung. Als Grenzfälle betrachtet man das System im thermodynamischen Gleichgewicht und berechnet die Gleichgewichtsverteilung der einzelnen Spezies im Reaktor. Variation der Temperatur kann zur Verschiebung des Reaktionsgleichgewichtes führen, was entweder eine Übersättigung der Gasphase, gefolgt von der Kondensation der entsprechenden Spezies, oder das Ätzen der Oberfläche zur Folge hat (wenn die Konzentration in der Gasphase erhöht werden muss). Die thermodynamische Beschreibung wurde erfolgreich in der Si-Epitaxie eingesetzt, führte in der III-V-Epitaxie allerdings nicht zum Erfolg. Bei einem anderen Ansatz versucht man, anhand kinetischer Modelle die Vorgänge im Reaktor mikroskopisch zu beschreiben. Hierzu fehlt jedoch oft eine genaue Kenntnis der einzelnen Zerlegungsreaktionen. Generell kann man bei der CVD zwischen drei thermochemischen Prozessen unterscheiden:

- Pyrolyse, z.B. in der Si-Epitaxie:

2 SiHCl3(g) chemische Gasphasenabscheidung 2 Si(s) + H2(g) + 3 Cl2(g)

- pyrolytische Synthese, z.B. in der metallorganischen Gasphasenepitaxie von III-V-Materialien:

(C2H5)3In(g) + PH3(g)  chemische Gasphasenabscheidung  InP(s) + 3 C2H6(g)

- chemischer Transport, z.B. in der Chlorid-Epitaxie:

2 GaP(s) + 2 HCl(g)chemische Gasphasenabscheidung2 GaCl(g) + P2(g) + H2(g)

(s: solid, fest; g: gasförmig).

Bei der CVD kann man auch zwischen Prozessen bei Normaldruck und unter Vakuumbedingungen (Niederdruck-CVD, low pressure CVD, LPCVD) sowie zwischen Hoch- und Niedertemperaturprozessen unterscheiden. In diesem Schema sind häufige Reaktionstypen die thermische Pyrolyse (z.B. Herstellung von Nickeldünnschichten bei 180°C: Ni(CO)4 chemische Gasphasenabscheidung Ni + 4(CO) sowie die thermische Reduktion (Herstellung von epitaxischen Siliciumschichten bei 1200°C: SiCl4 + 2H2 chemische Gasphasenabscheidung Si + 4HCl) und Oxidation (Herstellung von Siliciumoxidschichten bei 450°C: SiH4 + O2 chemische Gasphasenabscheidung SiO2 + 2H2). Die Beschichtung kann auch aus zwei reaktiven Komponenten erfolgen (Herstellung von Siliciumcarbid bei 1400°C: SiCl4 + CH4 chemische Gasphasenabscheidung SiC + 4HCl). Bei unterschiedlich stabilen flüchtigen Verbindungen kann eine Schichtbildung durch Disproportionierung erfolgen. Dabei wird das Ausgangsmaterial als flüchtige Verbindung in die Gasphase gebracht, z.B. 2GeI2 chemische Gasphasenabscheidung Ge + GeI4 bei 300°C. Das elementare Germanium wird als Schicht abgeschieden. Bei 600°C zersetzt sich das GeI4 wieder zu GeI2, das freiwerdende Jod reagiert wiederum mit der geheizten, noch als Festkörper vorliegenden Germaniumquelle. Es kommt zu einem Massentransport zwischen dem heisseren und dem kälteren Bereich der Beschichtungsapparatur.

Bei der metallorganischen Gasphasenabscheidung (metal organic CVD, MOCVD) werden metallorganische Verbindungen (z.B. Trimethylgallium) als Ausgangssubstanzen, insbesondere für die Herstellung von Halbleiterschichten durch Pyrolyse, verwendet: (CH3)Ga + AsH chemische Gasphasenabscheidung GaAs + 3CH4.

Neben der thermischen Anregung ist die Auslösung der chemischen Reaktion auch durch eine Niederdruck-Plasmaentladung möglich (plasmaangeregte CVD, plasma enhanced CVD, PECVD, Plasmabeschichtung). Das reaktive Gas durchläuft dabei eine Hochfrequenzentladungsstrecke, das Substrat wird auf einer Elektrode plaziert. Mit dieser Methode werden z.B. Nitridschichten (SiN4, TiN) hergestellt. Eine optische Anregung der reagierenden Moleküle (photolytische Dissoziation) kann durch ultraviolettes Licht oder durch Laserbestrahlung (laserunterstützte CVD, laser assisted LACVD) erfolgen. Dabei kann auch die Erwärmung des Substrats ausgenutzt werden (Laserpyrolyse).

Die Anwendungsgebiete der CVD sind vielfältig, sie ist eine verbreitete Methode zur industriellen Fertigung von mechanischen Schichten (z.B. auf Schneidwerkzeugen oder Kugellagern) und zur Produktion qualitativ hochwertiger epitaktischer Schichten, beispielsweise für DRAMs, ICs, LEDs, Halbleiterlasern, FETs und Solarzellen. Erforscht wird aber auch die Einsatzmöglichkeit der CVD zur Herstellung neuartiger Bauelemente unter Ausnutzung von Quanteneffekten in ein- und zweidimensionalen Quantenstrukturen. [AH, URE]

chemische Gasphasenabscheidung: Überblick über gebräuchliche CVD-Methoden.

Wachstumstechnik

Arbeitsdruck (Torr)

Depositions-

temperatur

Anregung

Anwendung

APCVD

atmospheric pressure CVD

(CVD bei Normaldruck)

760

150-1200

thermisch

Silizium Epitaxie,

Siliziumcarbid,

III-V und II-VI MOCVD,

ALE von III-V-Verbindungen,

Wolframsilizid,

RPCVD

reduced pressure CVD

(CVD bei reduziertem Druck)

10-80

150-1050

thermisch

Silizium Epitaxie,

Siliziumdioxid,

Siliziumnitrid,

III-V-MOCVD

LPCVD

low pressure  CVD

(CVD bei geringem Druck)

0,2-2,0

150-650

thermisch

polycristallines Silizium,

amorphes Silizium,

Siliziumdioxid,

Siliziumnitrid,

Wolfram, Kupfer, Aluminium

CVD im Molekularfluss

£ 10-3

400-800

thermisch

Silizium Epitaxie bei geringen Temperaturen;

Gas-Source MBE von Silizium und III-V-Verbidungen,

ALE von III-V-Verbindungen

PVCVD

Plasma-enhanced CVD

(Plasma -stimulierte CVD)

0,001-0,5

25-800

rf

Mikrowellen

ECR

amorphes Silizium,

Siliziumdioxid,

Siliziumnitrid,

amorpher Kohlenstoff,

Diamant,

Siliziumcarbid,

Silizium Epitaxie bei geringen Temperaturen

Photo-CVD

Photolytic CVD

(phytolytische CVD

80

150-600

photolytisch

Siliziumdioxid,

Siliziumnitrid,

Silizium Epitaxie bei geringen Temperaturen;

Metalle (W, Cu, Au..)

 

ALE: atomic layer epitaxy, ECR: electron-cyclotron-resonance

chemische Gasphasenabscheidung

chemische Gasphasenabscheidung: Schematische Darstellung eines CVD-Systems. Gas fliesst über ein geheiztes Substrat und wird dort thermisch zerlegt, gefolgt vom Schichtwachstum auf dem Substrat. Die übriggebliebenen Bestandteile werden abgeführt.

 

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