气相法,薄膜生长技术-动态ppt

1、薄膜生长技术气相法化学气相法课时安排：64课时，每周2大节课。考试：开卷，平时成绩40%+考试成绩60%课程目标：了解并掌握一定的薄膜材料在太阳能电池技术中的应用。知识框架梳理：薄膜生长技术原理及方法薄膜表征及微观量子态现象的认识薄膜技术在太阳能电池等领域的具体应用气相法化学气相法物理气相法等离子体辅助气相沉积法光辅助化学气相沉积法热辅助化学气相沉积法磁控溅射热蒸发离子镀分子束外延分类化学气相沉积法Chemical vapor depositionCVD概念：条件：利用加热、等离子体激励或光辐射等方法，使气态或蒸气状态的化学物质发生反应并以原子态沉积在置于适当位置的衬底上，从而形成所需要的固态

2、薄膜或涂层的过程。化学反应需要能量输入和诱发）等离子体激活（光）（紫外光、激光、可见光致活化）热激活（普通可分为按反应激活方式不同，基片架）：局部加热（仅基片和冷壁：整炉高温、等温环境热壁为按加热方式不同，可分）（高温）（中温）（低温为按沉积温度不同，可分载气、污染小：易于气化反应物、无低压运、污染较大：无需真空、靠载气输常压为按工作压力不同，可分PECVDCVD CVD CVD CVD 13001000CVD 1000500CVD 500200CVD CVD CVD 分类设备的基本构成优缺点可以准确控制薄膜的组分及掺杂水平使其组分具有理想化学配比；优点可在复杂形状的基片上沉积成膜；由于许多反

3、应可在大气压下进行，系统不需要昂贵的真空设备；高沉积温度会大幅度改善晶体的完整性；可以利用某些材料在熔点或蒸发时分解的特点而得到其他方法无法得到的材料；沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进行。123456优缺点化学反应需要高温；缺点反应气体会与基片或设备发生反应；由在化学气相沉积中所使用的设备可能较为复杂，且有许多变量需要控制；123化学气相沉积制备的薄膜材料等离子体增强气相沉积法(PECVD，Plasma Enhanced CVD)概念概念 在低压化学气相沉积过程进行的同时，利用辉光辉光、电弧电弧、射频射频、微波微波等手段促使反应气体放电产生等离子体，从而对反应沉积过程施加影响的CVD技术。

4、基本基本特征特征 可以在比传统的化学气相沉积低得多的温度下获得单质或化合物薄膜材料等离子体的作用高能自由电子的平均能量达 120 eV，足以使大多数气体 电离/分解 电子动能 代替 热能 成为主要的气体分解、活化驱动力 粒子相互作用可很快获得高能态、高化学活性和高反应能力， 而基片不会因额外加热而受损！(a) 气体分子与高浓度高能电子碰撞生成离子及活性基团；(b) 活性基团直接扩散到基片；(c) 活性基团与其它气体分子作用，形成所需前驱分子；(d) 所需前驱分子扩散到基片；(e) 未经活化气体分子直接扩散到基片；(f) 部分气体被直接排出；(g) 到达基片表面的各种基团反应沉积，并释放反应副产

5、物。PECVD沉积薄膜的主要微观过程： 工作原理： 置于反应器之外的线圈由射频电源驱动产生高频 交变电场 高频电场诱发室内气体击穿放电、电离形成等离子体 在反应气体下游放置基片，即可得到薄膜的沉积 也可以在上游只通入惰性气体，而在下游输入反 应气体， 使之在惰性气体电离的等离子体作用下 活化反应，完成沉积电感耦合型射频 PECVD装置： 等离子体室接受频率为2.45 GHz 的微波，微波由微波源通过波导和石英窗导入，电子回旋共振在875Gs磁场下发生，从而获得高度激活的等离子体。优缺点沉积温度低，对基体的结构和物理性质影响小；优点膜的厚度及成分均匀性好；沉积速率快，不易龟裂；膜层的附着力强；应

6、用范围广，可制备各种金属膜、非晶无机膜和有机膜。12345优缺点设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高；缺点涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害，且尾气不易处理；对小孔孔径内表面难以涂层等；123热辅助化学气相沉积法（hot-filament-assisted chemical vapor deposition,HFCVD)概念：热辅助化学气相沉积法是从气相中生长晶体的物理-化学过程。以热量提供沉积活化能，反应气体经过加热断键分解成各种中性基团，在衬底上沉积成膜。特点：反应室内壁温度较低，属于冷壁反应器；升降温速率快，反应简单，有多种气源组合可供选择；可实现大

7、批基体上沉积薄膜，可用廉价玻璃衬底；薄膜的性能也较好，是最为常用的化学气相沉积技术常用方法：热丝CVD法（一般选用钨丝）该方法加热衬底和衬底支持物，使中央温度快速达到反应温度，主要是气体分解，沉积薄膜。热丝法：该方法是在高温下灯丝蒸发条件下，高温产生的金属原子容易沉入膜中，会对薄膜造成污染。另外，沉积效率不是很高，工艺周期较长。热丝法热丝法的生长过程：1、反应气体输运到沉积区。2、反应气体分子由主气流扩散到衬底的表面。3、反应物分子吸附在衬底表面。4、反应物分子间发生化学反应，生成的硅原子在表面迁移聚集、沉积。5、反应副产物分子从衬底表面解吸。6、副产物分子由衬底表面扩散到主气流中，然后排出沉

8、积区快速热化学气相沉积过程-E/kTGe薄膜生长速率E为反应激活能。 其中沉积速率与沉积温度之间呈指数关系，表明衬底温度对沉积速率起决定性影响。 但是温度较高时，沉积速率将不再受化学反应速率的控制，这时到达衬底表面的反应物分子的数量将决定沉积速率的大小，此情况称为质量传输控制Ge-E/kT光辅助化学气相沉积法概念：光辅助化学气相沉积法是利用一定波长的光照射衬底及进气口到衬底的区域，从而使反应气体分子激发、活化，利用光子的能量促使反应气体分解而沉积。利用光的能量实现光CVD成膜。激光辅助CVD装置示意图激光辅助CVD装置：用激光作为辅助激发手段，促进或控制CVD过程的进行。1）激光的特点：能量集中、单色性好、方向性好2）激光的作用：诱发反应物活化、敏化、分解反应光化学作用控制沉积区域控制反应速度热分解气体加热基片热作用 3）主要优势： 反应迅速集中、无污染； 能量高度集中、浓度梯度和温度梯度大、成核生长好； 对参与反应物和沉积方向性具有选择能力； 沉积速率很高，基片整体温升很小（50的衬底温度下既可实现SiO2薄膜的沉积！）