材料化学总复习
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第二章材料气相制备化学 21简介 主要介绍:化学气相沉积(CVD) 和有机气相聚合。 CVD Chemical Vapor Deposition
第二章 材料气相制备化学 2.1 简介 主要介绍: 化学气相沉积（CVD） 和有机气相聚合。 CVD:Chemical Vapor Deposition
2.2化学气相沉积(CVD)基本原理 CVD Reactor From delivery To system exhaust Metal-containing precursor Film Substrate Schematic representation of an idealized CVD process for an elemental material
2.2 化学气相沉积（CVD）基本原理
化学气相沉积(cVD)定义: (1)具有挥发性的分子态物质(通常含金属)被传输进一个 装置(反应器),这个裝置里放着基片。分子态物质被 吸附到基片上并发生反应沉积一层特殊物质的薄膜【1】。 (2)利用气态物质在固体表面发生化学反应,生成固态沉积 物的过程【2】。 (3)是指直接利用气体或通过各种手段将物质变为气体,让 种或数种气体通过热、光、电、磁和化学等的作用而 发生热分解、还原或气体反应,从气相中析出纳米粒子, 冷却后得到纳米粉体【3】。 (1) Leonard V Interrante Mark J. Hampden Smith Chemistry of advanced materia|s》 【2】杨烈宇等编著,《材料表面薄膜技术》 【3】陈光华,邓金祥编著;《纳米薄膜技术与应用》
化学气相沉积（CVD）定义： （1）具有挥发性的分子态物质（通常含金属）被传输进一 个 装置（反应器），这个装置里放着基片。分子态物质被 吸附到基片上并发生反应沉积一层特殊物质的薄膜【1】。 （2）利用气态物质在固体表面发生化学反应，生成固态沉积 物的过程【2】。 （3）是指直接利用气体或通过各种手段将物质变为气体，让 一种或数种气体通过热、光、电、磁和化学等的作用而 发生热分解、还原或气体反应，从气相中析出纳米粒子， 冷却后得到纳米粉体【3】。 【1】 Leonard V. Interrante, Mark J. Hampden-Smith 《Chemistry of advanced materials》 【2】杨烈宇等编著， 《材料表面薄膜技术》； 【3】陈光华， 邓金祥 编著；《纳米薄膜技术与应用》
233.气相路线(Gas- phase routes) 气相成膜法包括许多物理(PVD)和化学(CVD)方法。 PVD:略 CvD缺点 (1)与其它成膜路线相比,由于要求高的挥发性和适当的 反应性,适合做CVD前驱体的分子态物质的数目较少 (2)沉积薄膜的装置较复杂和昂贵 CvD优点 1)可以在相对较低的基体温度下获得膜层 (2)膜层致密、保形且能以选区方式沉积
2.3.3. 气相路线(Gas-phase routes) 气相成膜法包括许多物理（PVD）和化学 (CVD) 方法。 PVD: 略 CVD缺点： （1）与其它成膜路线相比，由于要求高的挥发性和适当的 反应性，适合做CVD前驱体的分子态物质的数目较少； （2）沉积薄膜的装置较复杂和昂贵； CVD优点： （1）可以在相对较低的基体温度下获得膜层； （2） 膜层致密、保形且能以选区方式沉积
242前驱体的要求( precursor requirement) 用于含金属薄膜( metal- containing films)cVD 的含金属化合物 metal- containing compounds) 应有的基本性能 1)在不产生热分解的温度下具有合理的蒸气压 have a reasonable vapor pressure 2应在一种可控制的方式下产生热分解,以便所 产生的薄膜具有所希望的成分、形态和纯度
2.4.2 前驱体的要求(precursor requirement) 用于含金属薄膜（metal-containing films）CVD 的含金属化合物(metal-containing compounds) 应有的基本性能： 1）在不产生热分解的温度下具有合理的蒸气压 （have a reasonable vapor pressure）; 2)应在一种可控制的方式下产生热分解，以便所 产生的薄膜具有所希望的成分、形态和纯度
1前驱体挥发性( precursor volatility) 根据经验,为了获得合理的沉积速率(几百纳米/分钟),在输送温度下 的蒸气压至少100 mTorr 尽可能低的基体温度 矛盾窄的温度范围→ 高的沉积谏率·高的前驱体加热温度 产生部分热分(离)解 改变前驱体输送速率、薄膜性能、 不可重复生产结果等
1.前驱体挥发性（precursor volatility） 根据经验，为了获得合理的沉积速率（几百纳米/分钟），在输送温度下 的蒸气压至少100mTorr。 尽可能低的基体温度 矛盾 窄的温度范围 高的沉积速率 高的前驱体加热温度 产生部分热分（离）解 改变前驱体输送速率、薄膜性能、 不可重复生产结果等
3.单源前驱体( Single-Source Precursors) 与沉积复杂薄膜(即,由两种或两种以上的元素组成的薄膜)有关的问 题之一是可重现和可控制地翰送含金属化合物到基体表面并控制薄膜的 化学计量。 Different precursors Different volatilities Different evaporation rates and partial pressures Each precursor must be delivered separately to the Cvd reactor through(heated)mass flow controllers The deposition must be carried out under conditions where the feed rate of the least volatile precursor is the rate- limiting step(挥发性最小的前驱体的输送速率成为沉 积速率的速度控制步骤) Severe restriction on the deposition rate and film qua
3. 单源前驱体（Single-Source Precursors） 与沉积复杂薄膜（即，由两种或两种以上的元素组成的薄膜）有关的问 题之一是可重现和可控制地输送含金属化合物到基体表面并控制薄膜的 化学计量。 Different precursors Different volatilities Different evaporation rates and partial pressures Each precursor must be delivered separately to the CVD reactor through (heated) mass flow controllers. The deposition must be carried out under conditions where the feed rate of the least volatile precursor is the rate-limiting step（挥发性最小的前驱体的输送速率成为沉 积速率的速度控制步骤） Severe restriction on the deposition rate and film quality
解决办法之一: 使用单源前驱体( single-source _ precursors)而不是多源前 驱体( multi-source precursors来沉积复杂薄膜。 单源前驱体:是。种含有最终薄膜所需(金属)元素以及薄 所需元素比的前驱体。 当待江积的薄膜是—元且由一种金属和一种非金属组成时, 该办法非常成功。例如 金属硫化物znS,CdS;金属氮化物GaN, BN, GaAs 金属磷化物,金属碳化物,金属硅化物以及金属氧化物等。 存在的问题: 当膜层必须含有两种或两λ 上的金属时,当源前驱体的 子量可鲜层元前体的分子量高,从而降低挥发性导 沉积速率降低或不能沉积膜层
解决办法之一： 使用单源前驱体（single-source precursors）而不是多源前 驱体(multi-source precursors)来沉积复杂薄膜。 单源前驱体： 是一种含有最终薄膜所需（金属）元素以及薄 膜所需元素比的前驱体。 当待沉积的薄膜是二元且由一种金属和一种非金属组成时， 该办法非常成功。例如， 金属硫化物 ZnS, CdS;金属氮化物 GaN,BN,GaAs 金属磷化物，金属碳化物，金属硅化物以及金属氧化物等。 存在的问题： 当膜层必须含有两种或两种以上的金属时，当源前驱体的 分子量可能比多元前驱体的分子量高，从而降低挥发性，导 致沉积速率降低或不能沉积膜层
24.3冷、热壁CVD反应器的比较( comparison of hot-and cold-wall CVd reactors 冷、热壁反应器性能的说明是基于以下两方 面的原因 1)反应器类型及其操作条件对沉积工艺具 有深刻的影响 2)在解释速率数据时,反应器操作的方式 能有利于推导定量的动力学和机理信息
2.4.3 冷、热壁CVD反应器的比较（comparison of hot- and cold-wall CVD reactors） 冷、热壁反应器性能的说明是基于以下两方 面的原因： 1） 反应器类型及其操作条件对沉积工艺具 有深刻的影响； 2） 在解释速率数据时，反应器操作的方式 能有利于推导定量的动力学和机理信息
