CVD薄膜制备设备--S系列

1.“S系列”设备制备薄膜过程原理：

本公司研发的“S系列”的CVD制膜设备所搭载的原料供给系统为“金属加热罐供料系统”，由于该系统使用固态的“金属有机源(metal-organic precursor)”作为原料,故将该类制膜设备命名为“S系列”。薄膜制备程如下：首先将定量的金属有机源粉末放置到原料坩埚中，再将原料坩埚放入对应的加热罐中加热。加热罐的一端与载流气瓶（氩气）相连，另一端与原料喷管相连。当原料加热罐加热到合适温度时，便会产生原料蒸气，产生的原料蒸气通过加热的管道被载流气输送到基板表面，从而进行化学反应，得到目标薄膜。

2.金属加热罐供料系统的优点：

“S系列”的CVD薄膜制备设备具有如下优点：设备制作成本相对较低，薄膜制备过程操作简单，是一种普遍使用的系列设备。该系列设备在制备一元（例如：Co₂O₃，V₂O₃，Al₂O₃，CeO₂，Y₂O₃，MgO等）及二元（BaTiO₃，SrTiO₃，LiCoO₃，LaAlO₃，CaSiO₃，LaMnO₃等）金属薄膜时，非常方便快捷。比如：制备Al₂O₃薄膜时，只需将固态源（通常使用Al(DPM)₃或Al(acac)₃）放入原料罐中加热至某一合适的温度，在适当的沉积温度下便可制备高质量的Al₂O₃薄膜。

3.金属加热罐供料系统的缺点：

“S系列”的CVD薄膜制备设备缺点如下：①不能长时间提供精确、持续、稳定的原料蒸气，固体原料加热罐通过针孔阀门与真空腔体连接因此加热罐内压强受反应腔体压强波动影响显著，这直接影响到原料饱和蒸气压的变化，继而影响到各原料在单位时间内挥发量的波动。另外，随着薄膜沉积过程的进行，在坩埚内剩余的原料量将会逐渐减少，这使得原料在单位时间内挥发量出现明显变化。②固体原料罐加热法原料浪费严重。在每次实验合成样品后均会有一部分固体原料剩余，而为了保证每个样品的沉积条件一致，使用过的原料不适合再次使用，一般视为废料处理，从而造成宝贵原料的巨大浪费。③“S系列”的CVD设备在制备具有三元（例如：YBa₂Cu₃O₇）以上的薄膜时，元素计量比的寻求存在极大困难，通常只能采取穷举、盲探法，这样不仅造成原料的极大浪费，还耗费研究者大量宝贵的时间和精力，这也是本公司在设计“S系列”产品时，将其制备薄膜金属元素个数限制为2元。④由于金属加热罐供料系统必须手工换料，所以该系列设备在实现计算机智能控制薄膜沉积过程方面存在极大困难。以上“S系列”的CVD设备存在的缺点均可由本公司研发的“L系列”设备完美解决。

4.薄膜沉积过程中激光辅助的作用（激光发生器为可选配件）：

本公司研发的“S系列”的CVD制膜设备在选型时，可以选择搭载不同型号的激光发生器，升级为“激光化学气相沉积(laser chemical vapor deposition)”设备。激光化学气相沉积法是利用激光增强常规CVD生长过程的一种先进薄膜制备技术。激光束通过透镜组放大为直径为10-50mm的光斑，以45°或30°的入射角照射基板表面以增强整个化学气相沉积过程。原料蒸气在激光光子活化下更易于分解、反应（即激光的光化学效应），不仅加速了薄膜沉积速率，还大幅度地降低了薄膜合成温度（激光热效应）。

5.常规CVD设备加热台的升温极限：

对于任何一台CVD设备来讲，除原料供给系统之外，决定其性能高低的另一关键因素在于基板加热系统，也即是加热台能长时间稳定工作的最高温度，因此基板加热系统的设计也成为CVD设备研发的难题之一。

在非氧化气氛下，通过石墨(熔点:3850 °C)、钽丝(熔点:2995 °C)、钨丝(熔点:3380 °C)或钼丝(熔点:3650 °C)等高熔点发热体的辐射传热,轻松使得悬置于其上方的样品托板表面获得1600 °C以上的高温。然而，在氧化气氛下，石墨、钽丝、钨丝及钼丝等这些高熔点发热体将会被迅速氧化而破坏。因此在此情况下，只能选择抗氧化的高温发热体。就目前而言，在氧气氛下能长时间稳定工作、且自身发热温度能达到1400°C以上的发热体有硅碳棒(SiC, 1450 °C)、硅钼棒(MoSi₂, 1600 °C)及钼铬铝电阻丝(OCr₂₇Al₇Mo₂, 1400 °C)。虽然这些发热体在氧气氛下的表面温度能达到1400 - 1600 °C，但若将其装配到加热台上时，将面临两个不可避免的热量损失：其一，由于SiC、 MoSi₂ 及OCr₂₇Al₇Mo₂发热体本身就是导体，为防止触电，样品托板只能悬空安装于发热体之上，就是说样品托板的升温只能靠发热体的热辐射来实现，此时辐射传热会损失一部分能量；其二，样品托板本身也是能量损失的一个重要因素。因为样品托板通常选取导热能力较强的陶瓷，例如:3-5毫米的碳化硅或者氮化铝(AlN)板（陶瓷板太薄容易炸裂，太厚导热效果差；不选择inconel 600， Gh128及Hastelloy C 276等耐高温合金是因为它们在高温单面辐射加热下均会起拱变形），而陶瓷板的上、下面间的温度差就有200-300 °C。因此，由于发热体热辐射损耗及陶瓷样品托板隔热损耗的原因，加热台表面最终获得的最高温度也只有1200 °C左右，这也是目前在氧气氛下工作的常规CVD制膜设备的最高温度极限。

6.选择激光发生器的原因：

一般功能薄膜的最佳沉积温度通常在1000 °C以下，所以选择常规CVD制膜设备就能满足要求。但对于一些特种结构薄膜而言（例如：ɑ-Al₂O₃），在1200 °C下并不能获得高质量的结晶相，若想进一步在氧氛围下将其加热温度提高到1200 °C以上，就需要其它部件的辅助，比如，激光发生器。本公司通过光纤激光器的辅助，在1200 °C预热条件下，轻而易举地将一块氮化硅(Si₃N₄)陶瓷融化（陶瓷发动机材料，熔点1900°C左右）。

总的来说，选择激光CVD的原因可以归纳为如下两点：①制备一些合成温度高于1200 °C的特种结构薄膜；②作为一种新兴的先进薄膜制备技术，研究者在研究激光与薄膜材料相互作用时，更容易发现一些新问题、拓展新思路、发表好文章。

7.设备用途：

制备各种氧化物及非氧化物的功能、结构薄膜，例如：SiC，NTi，Co₂O₃，V₂O₃，Al₂O₃，CeO₂，Y₂O₃，MgO，BaTiO₃，SrTiO₃，LiCoO₃，LaAlO₃，CaSiO₃，LaMnO₃等。