语言选择: 中文版 line 英文版

行业资讯

化学气相沉积钽工艺研究与分析

一、引言

化学气相沉积铝是在较高的温度下进行的,该沉积在只有在大丁900℃才能发生。实验工艺参数选择对沉积层的生长影响很大,本章将对沉积层的组织、结构、成分以及沉积温度对沉积速率、沉积速度、晶体生长方式影响等进行实验结果分析,对化学气相沉积的工艺条件进行了研究。

二、化学气相沉积钽原理与方法

1.化学气相沉积钽原理

在化学气相沉积钽工艺过程巾,反应气体ws以及还原·陛气体Hz在一定温度发生化学反应,其基本反应方程式为(31)

TaF5H2还原生成Ta,反应过程中要吸418KJ/mol热量,同时生成反应尾气HF。实验测得反应式(3-1)进行的化学反应在800℃就能进行,但在工艺实验中发现900℃时沉积速率非常缓慢,低于900℃几乎观察不到钽沉积层。

基本反应方程式(3-1)仅能表述气相沉积钽还原化学反应的总过程,不能显示TaR分子在氢气作用下的实际还原过程,而这一点对于研究化学反应动力学过程是必须的。根据理文献报导,TaF5H2还原成金属Ta原子和反应尾气HF的可能反应过程有:

(1)在高温下TaF5以及被H2还原产生的中间氟化物TaFn发生热分解反应:

反应生成F2与反应气体H2发生反应:

但是,由于TaF5及被H2还原产生的中间氟化物TaFn发生热分解反应的温度均在4000℃以上,因此在所研究化学气相沉积工艺温度范围内(900-1200),通过此过程还原产生沉积钽原子途径不会发生。

(2)氢气直接参与还原反应,使会属Ta原子与F原子之间的结合键弱化、断裂,从而引起TaF5被逐级还原,最终还原成金属Ta原子。其过程可表示为:

中间氟化物被氢气进一步还原发生温度因反应气体中氢气含量不同而不同。当化学气相沉积反应气体摩尔比H2wF6=991时,TaF5H2还原为TaF4的反应:

在高于650℃即可发生。

TaF4H2还原为TaF3的反应:

在高于760℃即可发生。

TaF3H2还原为TaF2的反应:

在高于810℃即可发生。

TaF2H2还原为Ta的反应:

3)通过TaF5H2还原产生的中间氟化物1n之间的不对称转化:

还原生成多种中间氟化物,最终还原生成Ta

三、温度对沉积钽层的影响

温度是影响源气体的扩散、化学反应速率的快慢以及晶体的成核和长大过程的主要因素,直接影响控制着沉积的热力学和动力学过程。温度是化学气相沉积钽最重要的工艺参数之一。常压下,在控制钽蒸发温度230℃、H2流量1mlmin情况下改变沉积的温度(分别为900℃、100℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200)在镍基体上沉积难熔金属钽,获得钽沉积层,研究了温度对沉积钽层的沉积速率、显微组织、晶体结构的影响。

沉积温度对生长速率的影响

温度显著的影响着沉积速率,化学气相沉积过程中的沉积速率主要受质量转移过程和化学吸附、解吸、表面反应等步骤的限制。对于化学气相沉积钽,虽然文献报导化学反应于在温度高于800℃就可以发生,但实验测得当沉积温度低于900℃时,膜层沉积生长速度非常缓慢,几乎不能获得沉积层。由于受沉积实验装置限制,超过1200℃时的沉积工艺实验没有进行。在实验工艺温度900℃~1200℃范围内,实验测得沉积速度随沉积温度变化得曲线如图3-1所示。

3-1 积速度随沉积温度变化图

从图3-1可以看出,沉积层的沉积速度随着温度增高而加快。在900℃~1000时速度有明显提高,1000℃~1200℃速度上升相对比较缓慢。在900℃时,反应气体不能得到足够的能量突破其反应能垒,钽沉积层生长速度几乎为零。随着沉积温度升高反应气体分子运动加剧,气体获得突破其反应能垒的能量,反应速度加快。同时温度增加还使得反应产物气体分子及反应生成物气体分子扩散速度加快。其共同作用结果使得膜层沉积的速度随沉积温度提高而快速增加。

沉积温度改变对沉积层显微组织的影响

3-5,图3-6,图3-7,图3-8,图3-9,图3-10为不同温度下以1crl8Ni9Ti不锈钢为基体沉积出的钽涂层的金相照片。从金相组织照片可阻看出,在沉积温度为900℃时,组织为较为细小的柱状晶;在1000℃时,沉积层呈排列整齐的柱状晶。随着温度从1000℃到1200℃逐渐增加,显微组织形态并未出现很大的变化,仍以

柱状晶为主,但随着沉积温度升高沉积层组织有一定晶粒粗化。

沉积温度改变对沉积层显微硬度的影响

对于上述不同工艺沉积温度下获得的钽沉积膜层硬度测量结果如表3-11所示。沉积层平均硬度随沉积温度变化曲线如图3l2

3-11 不同温度下的钨硬度

3-12 硬度随沉积温度变化曲线

当沉积温度相对较低时,对应沉积层显微组织呈细小柱状晶形态,排列紧密,生长致密度好,沉积膜层具有较高的硬度,最高达66818 Hv。随着反应温度升高,柱状晶晶粒粗化,沉积层平均硬度逐渐降低,最低至53200HV。能谱成分分析及xray衍射结构分析结果显示,不同温度所获得钽沉积层成分及结构差异不大,其硬度增加应主要来自晶粒的细化和较大的沉积应力。随沉积温度升高,沉积层显微组织柱状晶粒粗化,而使细晶强化的效果减弱。再者,沉积温度的升高使得膜层内应力下降,也是造成钽沉积层硬度随沉积工艺温度的升高而逐渐降低的另一个原因。

栏目导航

联系我们

CONTACT US

联系人:吴经理

手机:(微)18690401137 QQ 2244385626

电话:86-0917-3658839

邮箱:info@xbymetal.com

地址: 陕西省宝鸡市高新区宝钛路中段

用手机扫描二维码关闭
二维码