Общая характеристика технологического процесса химическим осаждением из паровой фазы

Метод CVD иногда реализуется как изолированный процесс, протекающий в замкнутой системе, в которой реагенты и продукты используются повторно. Хороший пример – иодидный процесс получения хрома.

Изолированный процесс CVD может быть приемлемым, когда

1) реакция температурно обратима или

2) один продукт (или несколько) может быть использован вторично без потерь в качестве реагента.

Однако большинство процессов CVD являются процессами открытого типа, при которых химические реагенты после осаждения удаляются из реактора. Если затраты оправдываются, то некоторый возврат конечных продуктов и реагентов может производиться. В открытых реакторах оптимизация осаждения очень важна для того, чтобы реактор был эффективным и безопасным. Из-за того, что реагенты и продукты в методе CVD зачастую токсичны, склонны к коррозии, легко окисляются, воспламеняются, ядовиты и имеют высокое давление паров, в секции аппарата, следующей за камерой осаждения, эти химические вещества должны обезвреживаться перед удалением из установки.

Реакторы CVD классифицируются по рабочим температурам и давлениям, реактор для процесса CVD может иметь холодные или горячие стенки в зависимости от оптимальных параметров эксперимента. Когда стенки реактора, окружающие нагретую подложку, относительно холодны по сравнению с ней, реактор считается холодностенным. Подложка нагревается непосредственно, и осаждающийся продукт оказывается наиболее нагретым компонентом. В реакторе с горячей стенкой осаждающийся продукт может зарождаться и на стенке, и на нагретой подложке, хотя и в разной степени, если их температуры различаются. Подложка может нагреваться или не нагреваться, но реактор обязательно нагревается для облегчения протекания процесса.

При получении осаждающегося продукта, приемлемого для специального применения, характер процесса CVD, размеры и количество подложек, которые требуется покрыть, их размещение играют определяющую роль.

Способ нагрева, например теплом Джоуля – Ленца, индукционный и др., и тип держателя, например полоса или карусель, выбираются потребителем.

Поскольку метод CVD используется как для производства микросхем в полупроводниковой промышленности, так и для производства изделий произвольной формы или нанесения покрытий на внутренние стенки труб большого диаметра, то не может быть одной универсально применимой реакторной системы.

Основные параметры, которыми нужно управлять в процессе химического осаждения:

– давление;

– температура;

– массоперенос;

– динамика и активность в системах «покрытие – подложка» и «пар – газ».

Процесс CVD проводится при давлениях от значительно ниже 1 атм до высоких. Требуется контроль давления в реакторе, давления вводимых реагентов и выводимого продукта. Температура изменяется по нескольким зонам реактора CVD.

Химическая реакция определяет характер нагрева и интервал рабочих температур. Должны быть выяснены термодинамика и кинетика реакции; эндотермические и экзотермические эффекты реакции должны быть скомпенсированы надлежащим образом; может потребоваться отдельный контроль подложки для обеспечения образования осаждающегося продукта, зарождения и роста покрытия, достижения его однородности; должны быть учтены аспекты массо- и теплопотоков; необходим контроль за выводом реагентов/продукта на стадии, следующей за осаждением, как для повторного использования, так и для удаления из системы.

Действительное количество вводимых газообразных продуктов взаимосвязано с их движением в реакторе, к подложке и после нее. Хотя хорошее смешение достигается в условиях турбулентного потока, такие условия на практике нежелательны. Для достижения воспроизводимости и однородности необходимо плавное обтекание газовым потоком. Оптимизация газового потока для подвода реагентов к подложке существенна для достижения приемлемого осаждения.

Реакторная установка

Реакторная установка для процесса CVD состоит из трех компонентов:

1 система подачи реагентов,

2 система осаждения,

3 система удаления и повторного использования реагентов/продуктов.

Поскольку каждая конструкция реактора для CVD определяется его назначением, здесь приводятся только основные характеристики реакторных установок.

Наиболее важным обстоятельством, о котором нельзя забывать, является то, что, хотя твердофазный продукт осаждения получают на подложке в процессе CVD, система реагенты – продукт не всегда находится в паро- или газообразном состоянии. На стадиях подачи и удаления требуется производить ввод, обновление и удаление твердофазных и газообразных компонентов (а иногда и жидких). Необходимы надлежащие меры для противодействия конденсации и блокированию.

Твердофазные реагенты должны выдерживаться при температуре реакции с оптимальной экспозицией соответствующей площади поверхности. Таким образом, форма, в которой они используются, очень важна. Реагент одной и той же массы будет приобретать большую площадь поверхности, если его форму изменять в следующей последовательности: твердый кусок, таблетка, губка, волокно, порошок. Спекание вещества в виде порошка или в другой измельченной форме значительно уменьшает эффективную площадь поверхности. Реагенты в жидкой форме должны быть испарены и введены в………