CVD薄膜制備設(shè)備--S系列

1.“S系列”設(shè)備制備薄膜過(guò)程原理：

本公司研發(fā)的“S系列”的CVD制膜設(shè)備所搭載的原料供給系統(tǒng)為“金屬加熱罐供料系統(tǒng)”，由于該系統(tǒng)使用固態(tài)的“金屬有機(jī)源(metal-organic precursor)”作為原料,故將該類制膜設(shè)備命名為“S系列”。薄膜制備程如下：首先將定量的金屬有機(jī)源粉末放置到原料坩堝中，再將原料坩堝放入對(duì)應(yīng)的加熱罐中加熱。加熱罐的一端與載流氣瓶（氬氣）相連，另一端與原料噴管相連。當(dāng)原料加熱罐加熱到合適溫度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生原料蒸氣，產(chǎn)生的原料蒸氣通過(guò)加熱的管道被載流氣輸送到基板表面，從而進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，得到目標(biāo)薄膜。

2.金屬加熱罐供料系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

“S系列”的CVD薄膜制備設(shè)備具有如下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備制作成本相對(duì)較低，薄膜制備過(guò)程操作簡(jiǎn)單，是一種普遍使用的系列設(shè)備。該系列設(shè)備在制備一元（例如：Co₂O₃，V₂O₃，Al₂O₃，CeO₂，Y₂O₃，MgO等）及二元（BaTiO₃，SrTiO₃，LiCoO₃，LaAlO₃，CaSiO₃，LaMnO₃等）金屬薄膜時(shí)，非常方便快捷。比如：制備Al₂O₃薄膜時(shí)，只需將固態(tài)源（通常使用Al(DPM)₃或Al(acac)₃）放入原料罐中加熱至某一合適的溫度，在適當(dāng)?shù)某练e溫度下便可制備高質(zhì)量的Al₂O₃薄膜。

3.金屬加熱罐供料系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

“S系列”的CVD薄膜制備設(shè)備缺點(diǎn)如下：①不能長(zhǎng)時(shí)間提供精確、持續(xù)、穩(wěn)定的原料蒸氣，固體原料加熱罐通過(guò)針孔閥門與真空腔體連接因此加熱罐內(nèi)壓強(qiáng)受反應(yīng)腔體壓強(qiáng)波動(dòng)影響顯著，這直接影響到原料飽和蒸氣壓的變化，繼而影響到各原料在單位時(shí)間內(nèi)揮發(fā)量的波動(dòng)。另外，隨著薄膜沉積過(guò)程的進(jìn)行，在坩堝內(nèi)剩余的原料量將會(huì)逐漸減少，這使得原料在單位時(shí)間內(nèi)揮發(fā)量出現(xiàn)明顯變化。②固體原料罐加熱法原料浪費(fèi)嚴(yán)重。在每次實(shí)驗(yàn)合成樣品后均會(huì)有一部分固體原料剩余，而為了保證每個(gè)樣品的沉積條件一致，使用過(guò)的原料不適合再次使用，一般視為廢料處理，從而造成寶貴原料的巨大浪費(fèi)。③“S系列”的CVD設(shè)備在制備具有三元（例如：YBa₂Cu₃O₇）以上的薄膜時(shí)，元素計(jì)量比的尋求存在極大困難，通常只能采取窮舉、盲探法，這樣不僅造成原料的極大浪費(fèi)，還耗費(fèi)研究者大量寶貴的時(shí)間和精力，這也是本公司在設(shè)計(jì)“S系列”產(chǎn)品時(shí)，將其制備薄膜金屬元素個(gè)數(shù)限制為2元。④由于金屬加熱罐供料系統(tǒng)必須手工換料，所以該系列設(shè)備在實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智能控制薄膜沉積過(guò)程方面存在極大困難。以上“S系列”的CVD設(shè)備存在的缺點(diǎn)均可由本公司研發(fā)的“L系列”設(shè)備完美解決。

4.薄膜沉積過(guò)程中激光輔助的作用（激光發(fā)生器為可選配件）：

本公司研發(fā)的“S系列”的CVD制膜設(shè)備在選型時(shí)，可以選擇搭載不同型號(hào)的激光發(fā)生器，升級(jí)為“激光化學(xué)氣相沉積(laser chemical vapor deposition)”設(shè)備。激光化學(xué)氣相沉積法是利用激光增強(qiáng)常規(guī)CVD生長(zhǎng)過(guò)程的一種先進(jìn)薄膜制備技術(shù)。激光束通過(guò)透鏡組放大為直徑為10-50mm的光斑，以45°或30°的入射角照射基板表面以增強(qiáng)整個(gè)化學(xué)氣相沉積過(guò)程。原料蒸氣在激光光子活化下更易于分解、反應(yīng)（即激光的光化學(xué)效應(yīng)），不僅加速了薄膜沉積速率，還大幅度地降低了薄膜合成溫度（激光熱效應(yīng)）。

5.常規(guī)CVD設(shè)備加熱臺(tái)的升溫極限：

對(duì)于任何一臺(tái)CVD設(shè)備來(lái)講，除原料供給系統(tǒng)之外，決定其性能高低的另一關(guān)鍵因素在于基板加熱系統(tǒng)，也即是加熱臺(tái)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的最高溫度，因此基板加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也成為CVD設(shè)備研發(fā)的難題之一。

在非氧化氣氛下，通過(guò)石墨(熔點(diǎn):3850 °C)、鉭絲(熔點(diǎn):2995 °C)、鎢絲(熔點(diǎn):3380 °C)或鉬絲(熔點(diǎn):3650 °C)等高熔點(diǎn)發(fā)熱體的輻射傳熱,輕松使得懸置于其上方的樣品托板表面獲得1600 °C以上的高溫。然而，在氧化氣氛下，石墨、鉭絲、鎢絲及鉬絲等這些高熔點(diǎn)發(fā)熱體將會(huì)被迅速氧化而破壞。因此在此情況下，只能選擇抗氧化的高溫發(fā)熱體。就目前而言，在氧氣氛下能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作、且自身發(fā)熱溫度能達(dá)到1400°C以上的發(fā)熱體有硅碳棒(SiC, 1450 °C)、硅鉬棒(MoSi₂, 1600 °C)及鉬鉻鋁電阻絲(OCr₂₇Al₇Mo₂, 1400 °C)。雖然這些發(fā)熱體在氧氣氛下的表面溫度能達(dá)到1400 - 1600 °C，但若將其裝配到加熱臺(tái)上時(shí)，將面臨兩個(gè)不可避免的熱量損失：其一，由于SiC、 MoSi₂ 及OCr₂₇Al₇Mo₂發(fā)熱體本身就是導(dǎo)體，為防止觸電，樣品托板只能懸空安裝于發(fā)熱體之上，就是說(shuō)樣品托板的升溫只能靠發(fā)熱體的熱輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)輻射傳熱會(huì)損失一部分能量；其二，樣品托板本身也是能量損失的一個(gè)重要因素。因?yàn)闃悠吠邪逋ǔ＿x取導(dǎo)熱能力較強(qiáng)的陶瓷，例如:3-5毫米的碳化硅或者氮化鋁(AlN)板（陶瓷板太薄容易炸裂，太厚導(dǎo)熱效果差；不選擇inconel 600， Gh128及Hastelloy C 276等耐高溫合金是因?yàn)樗鼈冊(cè)诟邷貑蚊孑椛浼訜嵯戮鶗?huì)起拱變形），而陶瓷板的上、下面間的溫度差就有200-300 °C。因此，由于發(fā)熱體熱輻射損耗及陶瓷樣品托板隔熱損耗的原因，加熱臺(tái)表面最終獲得的最高溫度也只有1200 °C左右，這也是目前在氧氣氛下工作的常規(guī)CVD制膜設(shè)備的最高溫度極限。

6.選擇激光發(fā)生器的原因：

一般功能薄膜的最佳沉積溫度通常在1000 °C以下，所以選擇常規(guī)CVD制膜設(shè)備就能滿足要求。但對(duì)于一些特種結(jié)構(gòu)薄膜而言（例如：ɑ-Al₂O₃），在1200 °C下并不能獲得高質(zhì)量的結(jié)晶相，若想進(jìn)一步在氧氛圍下將其加熱溫度提高到1200 °C以上，就需要其它部件的輔助，比如，激光發(fā)生器。本公司通過(guò)光纖激光器的輔助，在1200 °C預(yù)熱條件下，輕而易舉地將一塊氮化硅(Si₃N₄)陶瓷融化（陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)材料，熔點(diǎn)1900°C左右）。

總的來(lái)說(shuō)，選擇激光CVD的原因可以歸納為如下兩點(diǎn)：①制備一些合成溫度高于1200 °C的特種結(jié)構(gòu)薄膜；②作為一種新興的先進(jìn)薄膜制備技術(shù)，研究者在研究激光與薄膜材料相互作用時(shí)，更容易發(fā)現(xiàn)一些新問(wèn)題、拓展新思路、發(fā)表好文章。

7.設(shè)備用途：

制備各種氧化物及非氧化物的功能、結(jié)構(gòu)薄膜，例如：SiC，NTi，Co₂O₃，V₂O₃，Al₂O₃，CeO₂，Y₂O₃，MgO，BaTiO₃，SrTiO₃，LiCoO₃，LaAlO₃，CaSiO₃，LaMnO₃等。