Лаба №1 / Лабораторная CVD

СИНТЕЗ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ПАРОФАЗНОГО ОСАЖДЕНИЯ(CVD)

ПОПОВ В.С., СЕВАСТЬЯНОВ В.Г.

Институт общей и неорганической химии им.Н.С. Курнакова РАН, Москва

Цель работы: ознакомление с методикой проведения процесса химического осаждения из газовой фазы, изучение процесса низкотемпературного синтеза тонких наноструктурированных металлических (оксидных) покрытий. Практическое проведение синтеза тонких пленок металлов (оксидов) методом CVD.

Задачи:

-определение технологических параметров процесса на основе данных о термохимическом поведении стартовых реагентов и целевого продукта;

-подготовка установки к началу работы, проверка работоспособности основных еѐ узлов;

-подготовка подложки-мишени и навески прекурсора металла, их загрузка в установку;

-проведение CVD-процесса.

Материалы и оборудование.

В работе в качестве прекурсоров металлов и их оксидов используются летучие координационные соединения металлов: карбонилы, ферроцены, β-дикетонаты. В качестве газов-носителей используются аргон или нулевой воздух. Эксперимент проводиться на установке изображенной на рисунке 1.

2 3

ВЧ

6 5

7

Рис.1. Схема лабораторной установки для проведения синтеза материалов

методом CVD.

1 - кварцевый реактор, 2 – резистивная печь(печь испарения), 3 – индукционная

печь(печь деструкции), 4 – пирометр, 5 – термопара, 6 – ротаметр, 7 – баллон с газом-

носителем.

2

Теоретическая часть.

Химическое парофазное осаждение (chemical vapor deposition - CVD) - это химический процесс, который разработан для получения твѐрдых неорганических покрытий, как правило, повышенной чистоты. Суть данного метода состоит в том, что конечный продукт образуется на подложке-мишени (находящейся в наиболее нагретой зоне), в результате взаимодействия газообразных веществ-прекурсоров в горячей зоне или термолиза пара вещества-прекурсора [1]. При этом вещества-прекурсоры могут представлять собой не только газы, но и твердые вещества или жидкости, в этом случае их возгоняют или испаряют в специальной зоне реактора, а за тем транспортируют к подложке-мишени с помощью газа-носителя, который может быть как «инертным», так и участвовать в синтезе. Также возможна организация процесса без газа-носителя; в этом случае эксперимент выполняется под динамическим вакуумом. Если в результате реакции образуются газообразные побочные продукты, они удаляются из реактора потоком газа носителя или динамическим вакуумом[2,3]. Схема протекания CVD процесса представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема химического парофазного осаждения на примере MOCVD.

Метод CVD имеет ряд существенных преимуществ:

-возможность нанесения однородных по составу и толщине пленок на детали сложной конфигурации;

-возможность достижения высокой скорости осаждения с одновременным сохранением высокого качества пленки. Использование физического метода нанесения пленок связывает высокую производительность с высокой энергией потока частиц распыляемого вещества, что приводит к нарушению поверхности подложки или нижних слоев образовавшейся пленки, а также к загрязнениям примесями из аппаратуры. С применением CVD-метода высокая производительность достигается за счет высокого давления паров летучего вещества или большой скорости газа-носителя;

-применение этого метода дает хорошую воспроизводимость свойств покрытий при фиксации параметров процесса. Легкость управления процессом и возможность

©ИОНХ РАН | © Попов В.С., Севастьянов В.Г.

3

быстрой перестройки аппаратуры при изменении используемых веществ является положительной характеристикой метода.

-с использованием CVD-процесса появляется возможность перехода от высоковакуумной аппаратуры к установкам с разрежением около 10 Па или проточной технике;

-химическая чистота продукта, осажденного из газовой фазы, гораздо выше, чем при использовании других методов, в том числе и золь – гель техники, так как вещества, используемые в качестве прекурсоров, очищаются от многих примесей при переходе в газовую фазу.

Наиболее распространенными прекурсорами металлов и их оксидов применяемыми в методе CVD являются: алкилы, карбонилы, ферроцены и алкилферроцены алкиламиды, галогениды, β-дикетонаты и их производные с краун-

эфирами[1,3,4].

Ход работы.

На основе литературных данных о термохимическом поведении стартового реагента и целевого материала по согласованию с преподавателем выбирают технологические параметры проведения процесса (температуру в печи испарения, температуру в печи деструкции, скорость и тип газа носителя).

Подготовка и загрузка установки. Правильно собранную установку продувают газом носителем в течение нескольких минут, после чего задают скорость газа соответствующую выбранной. В установку помещают алюминиевую лодочку с навеской стартового реагента в область реактора расположенную печи испарения (2) (см. рис.1). Подложку-мишень, установленную в графитовый нагреватель, помещают в реактор по центру индукционной печи деструкции. Установка готова к началу синтеза.

Синтез. Синтез проводят следующим образом, сначала включают индукционную печь и достигают в ней рабочей температуры деструкции. После чего постепенно нагревают резистивную печь до достижения рабочей температуры испарения. Контроль температуры осуществляют термопарой в резистивной печи и пирометром в печи деструкции. В резистивной печи температуру регулируют прилагаемым напряжением, в индукционной – с помощью блока управления мощностью.

Процесс осаждения проводят в течение установленного преподавателем времени или до полного испарения навески прекурсора. После чего выключат сначала печь испарения, затем печь деструкции. После охлаждения установки до комнатной температуры вынимают подложку-мишень и лодочку с прекурсором. Проводят взвешивание лодочки после синтеза, делают вывод о количестве израсходованного стартового реагента.

После исследования образца методом атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным элементным анализом делают заключение о составе и морфологии покрытия.

Вопросы для самоконтроля.

1.В чем заключается метод CVD?

2.Какие варианты организации метода CVD вы можете назвать?

3.Назовите основные преимущества метода CVD.

4.Объясните, каково назначение каждого из узлов установки?

5.Назовите примеры стартовых реагентов для получения оксидных или металлических покрытий методом CVD.

6.Поясните каждый из этапов методики проведения лабораторной работы.

©ИОНХ РАН | © Попов В.С., Севастьянов В.Г.

4

Литература

1.KodasT., Hampden-Smith M. The chemistry of metal CVD - Weinheim; New York ;Base1 ; Cambridge ; Tokyo: VCH, 1994. – 490 с.

2.Choy K.L. Chemical vapor deposition of coating // Progress in Materials Science. –

2003 № 48. – с. 57-170.

3.Сыркин В.Г. CVD-метод. Химическое парофазное осаждение. - М.: Наука, 2000. – 496 с.

4.Кузнецов Н. Т., Севастьянов В.Г., Симоненко Е.П., Игнатов П.А., Попов В.С. Способ получения пленочных покрытий оксида олова на подложках. Патент РФ № 2397572. – 2010.

©ИОНХ РАН | © Попов В.С., Севастьянов В.Г.