Keemiline sadestamine aurufaasist

Allikas: Vikipeedia
Alalisvoolu plasma (violetne) kiirendab süsiniknanotorude kasvu PECVD aparaadis

Keemiline sadestamine aurufaasist (inglise keeles Chemical vapor deposition ehk CVD) on keemiline protsess, mida kasutatakse suure puhtusega materjali tootmiseks. Selle käigus viiakse aurudesse lähteained, mis reageerivad ja moodustavad alusele vajalikku ainet. Reaktsioonil on sageli gaasiline saadus, mis kantakse gaasivooluga reaktsioonikambrist välja.

Seda protsessi kasutatakse pooljuhtide tootmises ja õhukese kile kasvatamises.

CVD protsessiga valmistatakse mitmesuguse struktuuriga materjale: monokristalle, polükristalle, amorfseid aineid ja epitaksiaalsed. Mõningate materjalide näited: räni, süsinikkiud, süsiniku nanokiud, süsiniknanotorud, ränidioksiid, volfram, ränikarbiid, räninitriid, titaannitriid, dielektrikud ja sünteetilised teemandid.

CVD tüübid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Protsessid liigitatakse selle järgi, mis viisil reaktsioon on initsieeritud.

Klassifikatsioon rõhu järgi[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • CVD atmosfääri rõhu all (inglise Atmospheric Pressure chemical vapor deposition (APCVD)) — CVD protsess toimub atmosfääri rõhu all.
  • CVD madala rõhu all (inglise Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD)) — CVD protsess toimub atmosfäärist rõhust madalamal rõhu all.[1] Rõhu alandamine vähendab mittesoovitavate reaktsioonide toimumist gaasifaasis, ning soodustab ühtlast sadestumist aluse pinnal. Enamik tänapäeva CVD seadmeid on kas LPCVD või UHVCVD.
  • Vaakum CVD (inglise Ultra high vacuum chemical vapor deposition (UHVCVD)) — CVD protsess toimub väga madala rõhu all, tavaliselt madalam kui 10−6 Pa (~ 10−8 mmHg).

Klassifikatsioon auru füüsikalise karakteristiku järgi[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • CVD aerosooli toimel (inglise Aerosol Assisted Chemical vapor deposition (AACVD)) — CVD protsess, kus lähteaine vedatakse aluse peale aerosooli abil, mis võiks tekkida erineval moel, näiteks ultraheliga.
  • CVD vedeliku otsesissepritsega (inglise Direct liquid injection chemical vapor deposition (DLICVD)) — CVD protsess, kus lähteaine vedatakse vedelfaasis (kas puhas või lahustunud). Vedelik pihustatakse kambrisse injektoriga. Antud tehnoloogia annab suure jõudlust kile tekkimisel.

Plasma meetodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • CVD aktiveeritud mikrolaine plasmaga (inglise Microvawe plasma chemical vapor deposition (MPCVD)).
  • Suurendatud plasmaga CVD (inglise Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)) — CVD protsess, mis kasutab plasmat reaktsiooni kiiruse suurendamiseks.[2] PECVD toimub madalamal temperatuuril, mis on elutähtis pooljuhtide tootmisel.
  • Kauge suurendatud plasmaga CVD (inglise Remote plasma-enhanced CVD (RPECVD)) — Sarnane PECVD'ga, vaid alus ei asu plasma säde piirkonnas, mis alandab temperatuur toatemperatuurini.

Muud meetodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Aatomkihi CVD (inglise Atomic layer CVD (ALCVD)) — moodustab erinevate materjale järjestikke kihti, mitutkihilise kristallilise kihi loomiseks.
  • CVD põletamist (inglise Combustion Chemical Vapor Deposition (CCVD)) — Protsess, mille kaudu kile kate sadestatakse põletamisena atmosfääris.
  • Kuuma niiti CVD (inglise Hot wire chemical vapor deposition (HWCVD) / hot filament CVD (HFCVD)) — samuti teatud nagu katalüütiline CVD (Catalitic chemical vapor deposition (Cat-CVD)) — Sellises protsessis kasutakse kuuma filamenti ehk niidi, gaasi keemilise lagunemiseks.[3]
  • Metallorgaaniline CVD (inglise Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD)) — CVD protsess, mis baseerub metallorgaaniliste lähteainete kasutamisel.
  • Hübriidne füüsilis-keemiline CVD (inglise Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition (HPCVD)) — protsess, mis põhineb lähteaine keemilise lagunemisel ja tahke materjali aurustumisel.
  • Kiire termiline CVD (inglise Rapid thermal CVD (RTCVD)) — CVD protsess, mis kasutab hõõglampe või teisi meetodi, et kiiresti alust kuumutada. Ainult aluse kuumutamisel võiks vähendada mittesoovitavaid kõrvalreaktsioone.
  • Auru faas-epitaksia (inglise Vapor phase epitaxy (VPE)) — kiht-kihiline sadestamine aurufaasist pooljuhiva alusepinnal temperatuuril 750—1200 °C (sõltuvalt meetodist).

Kasutamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Integraallülitused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Erinevad CVD protsessid kasutatakse integraalüüliti valmistamiseks. Konkreetsed materjalid on saadud sadestamisega eritingimustel.

Polükristalliline räni[muuda | redigeeri lähteteksti]

Polükristalliline räni on saadud silaanist (SiH4), kasutuses olevad reaktsioonid:

SiH4 → Si + 2 H2

Antud reaktsioon kulgeb LPCVD süsteemis, kas puhtast silaanist või selle segust lämmastikuga. Temperatuuril 600 ja 650 °C vahel, ning rõhu 25 ja 150 Pa vahel, saavutatakse kasvuhäire 10-20 nm minutis. Alternatiivne protsess kasutab vesinikul põhinev segu. Vesinik alandab kasvuhäire, samas temperatuur tõustakse 850 või isegi 1050 °C, et kompenseerida.

Räni dioksiid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Räni dioksiid (tavaliselt nimetakse lihtsalt oksiidina, pooljuhtide tootmisel) sadestatakse mitmel erinevatel protsessil. Tavalised lähteained on silaan ja hapnik, dikloorsilaan (SiCl2H2) ja dilämmastikoksiid (N2O)[4] või tetraetüül ortosilikaat (TEOS; Si(OC2H5)4). Reaktsioonid on järgmised:

SiH4 + O2 → SiO2 + 2 H2
SiCl2H2 + 2 N2O → SiO2 + 2 N2 + 2 HCl
Si(OC2H5)4 → SiO2 + kõrvalproduktid

Lähteaine gaas valitakse lähtudes substraati termostabiilsusest; naiteks alumiinium on tundlik kõrgema temperatuuri suhtes. Silaan laguneb 300 ja 500 °C vahel, dikloorsilaane umbes 900 °C, ning TEOS 650 ja 750 °C vahel, madala temperatuuri oksiidi kihti tulemusena low- temperature oxide (LTO). Kõik neid reaktsioonid võivad tekkida LPCVD protsessis, vaid silaani reaktsioon samas toimub APCVD.

Räni nitriid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Räni nitriid tihti kasutatakse isolaatorina integraallüliti tootmiseks. Järgnevad reaktsioonid sadestavad räni nitriidi gaasifaasist:

3 SiH4 + 4 NH3 → Si3N4 + 12 H2
3 SiCl2H2 + 4 NH3 → Si3N4 + 6 HCl + 6 H2

Räni nitriid sadestatud LPCVD meetodiga, sisaldab kuni 8% vesiniku. Samuti see talub suured sissepinged, mis võiks purusta kille õhukesem kui 200 nm. Kuid see omab suurem takkistus kui enamus isolaatorid kättesaadavad mikrotootmisel (1016 Ω·cm ja 10 MV/cm, vastavalt).

Järgmised kaks reaktsioonid võivad tekkida plasmas, et sadesta SiNH:

2 SiH4 + N2 → 2 SiNH + 3 H2
SiH4 + NH3 → SiNH + 3 H2

Need kiled on väiksema sissepingega, aga halvema elektrilisi omadustega (vastavalt 106 kuni 1015 Ω·cm, ja läbilöögitugevus 1 to 5 MV/cm). [5]

Süsiniknanotorude valmistamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Keemiline sadestamine aurufaasist on kõige laiemalt levinud süsiniknanotorude sünteesi meetod. Tegemist on suhteliselt lihtsa ja ökonoomse meetodiga. Võrreldes teiste meetoditega vajab see tunduvalt madalamat temperatuuri. mitmeseinalise nanotorude (inglise "multi-walled nanotubes" ehk (MWCNTs)) sünteesiks on vajalik 300–800 °C ja üheseinalise nanotorude ehk SWCNT jaoks veidi kõrgemat temperatuuri (600–1200 °C).

Nimetatud meetod võimaldab kasutada erinevaid süsinikuallikaid kõigis faasides (tahkes, vedelas, gaasilises). Samuti saab kasutada erinevaid substraate ning nanotorusid saab kasvatada igasuguste vormidele kujul (nt. pulber, kile). On võimalik sünteesida süsiniknanotorude individuaalseid kimpe või orienteeritud "metsa". Tavaliselt kasutatavad gaasilised süsinikuallikad on metaan, atsetüleen, etüleen ja süsinikmonooksiid. Vedelatest süsiniku allikatest on kasutusel alkoholid (nt. metanool ja etanool), mida kuumutatakse anumas ja puhastatakse inertgaasiga, et kanda aur reaktsioonikambrisse.

CVD reaktor koosneb kvartstorust, mida ümbritseb ahi. Ahi on ühendatud kontrolleriga, mille abil on võimalik temperatuuri reguleerida ja hoida. Kvartstoru käib ühest otsast lahti ja sealt sisestatakse katalüsaator. Reaktor on ühendatud vaakumpumbaga, millega enne sünteesi algust pumbatakse välja kõik mittesoovitavad gaasid. Gaasid liiguvad mööda kaht ahelat. Ühes ahelas liigub kandegaas (He), redutseeriv gaas (H2) ja süsinikuallikas (C2H2). Mööda teist ahelat liigub ainult inertgaas (He). Gaasivooge on võimalik reguleerida iga gaasi teel asuva rotameetriga ühendatud nõelkraani abil. Kvartstoru teises otsas on väike aken, mille kaudu jälgitakse reaalajas nanotorude kasvu arvutiga ühendatud CCD-kaameraga. Süsivesinike aur juhitakse läbi toruahju (temperatuur 600–1200 kraadi), milles paikneb katalüütiline materjal. Selle tulemusena süsivesinik laguneb. CNT kasvavad ümber katalüsaatori ning need kogutakse pärast süsteemi jahutamist. Vedela süsivesiniku puhul (nt. benseen) kuumutatakse vedelikku leegis ja inertgaas kannab tekkinud aurud reaktsioonikambrisse (ahju). Tahke süsivesiniku (nt. naftaleen, kamper) aurustamine saavutatakse teist (madalatemperatuurset) ahju kasutades. Saadud CNT ei ole väga kõrge kristallilisusega.

Kolm peamist parameetrit, mis mõjutavad CNT kasvatamist CVD meetodil on: süsivesinik, katalüsaator ja kasvutemperatuur. Madalam temperatuur (600–900 kraadi) soodustab MWCNT teket ning kõrgem temperatuur (900–1200 kraadi) SWCNT teket. SWCNT tekivad kõrgemal temperatuuril kuna neil on kõrgem tekke-energia (tulenevalt nende väikesest diameetrist). MWCNT on võimalik sünteesida enamikest süsivesinikest. SWCNT saab sünteesida üksnes valitud süsivesinikest (nt. CO, metaan), mis on mõistlikult stabiilsed sünteesi temperatuuridel (900–1200 kraadi).

Teemand[muuda | redigeeri lähteteksti]

A colorless faceted gem
Briljant tehtud kunstlikust teemandist, mis on saadud kasutades CVD meetodi abil

Keemiline sadestamine aurufaasist kasutatakse kunstliku teemandi tootmiseks, vajalike tingimuste loomisena, et süsiniku aatomid gaasist sadestati substraati peale kristalliidi vormis.

Teemandi CVD pannakse tähele materjaliteaduses, kuna see võimaldab palju uut teemandi rakendamist, mis varem oli liiga kulukas. Teemandi kasv tavaliselt toimub madala rõhu all (1–27 kPa) ja erinevate gaaside mõjul, mis alati sisaldavad süsiniku ning tavaliselt ka vesiniku. Energia allikad, peale teisi, on kaarlahendus, kuum niit ning mikrolained. Tegelik protsess on väga komplitseeritud ning uurimisel. Teemandi CVD annab võimalus kasvata teemandi suures pinnas, aluse põhjal, ning samuti kontrollida kasvanud teemandi omadusi.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]


References[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Low Pressure Chemical Vapor Deposition – Technology and Equipment, http://www.crystec.com/klllpcvde.htm 
  2. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition – Technology and Equipment, http://www.crystec.com/tridepe.htm 
  3. B. Stannowski, A.M. Brockhoff, P.A.T.T. van Veenendaal and J.K. Rath "Hot wire CVD of heterogeneous and polycrystalline silicon semiconducting thin films for application in thin film transistors and solar cells", "Materials Physics and Mechanics" lk 73–82 http://www.ipme.ru/e-journals/MPM/no_2100/schropp/schropp.pdf
  4. Proceedings of the Third World Congress of Chemical Engineering, Tokyo, p. 290 (1986)
  5. S.M. Sze (2008). Semiconductor devices: physics and technology. Wiley-India. p. 384. ISBN 81-265-1681-X. 

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]