Thermische CVD

Chemische Gasphasenabscheidung

Das Institut für Oberflächentechnik befasst sich in verschiedenen Forschungsprojekten mit Prozessen zur Schichtabscheidung aus der Gasphase (chemical vapour deposition, CVD). Ein Bereich der CVD wird als thermisch aktivierte CVD bzw. MOCVD (CVD aus metallorganischen Verbindungen, metal-organic CVD) bezeichnet.

Bei einer chemischen Gasphasenabscheidung entsteht bei einer Oberflächenreaktion von einem oder mehreren Gasen eine Schicht. Dieses Beschichtungsverfahren besitzt mehrere bedeutende Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen: In der Halbleiterindustrie werden Si, SiO₂, Si₃N₄ und andere Materialien großindustriell mit CVD hergestellt. Verschiedene Gläser (Brillengläser, Fenster, Flaschen, Lampen) werden durch die chemische Gasphasenabscheidung mit optischen Reflex- oder Wärmedämmschichten ausgestattet. Diffusionsbarriereschichten zur besseren Haltbarkeit von Lebensmitteln auf Kunststofffolien und Hartstoffschichten aus TiN auf Werkzeugen werden ebenfalls mit CVD erzeugt.

Beim thermischen CVD wird die chemische Reaktion durch die thermische Energie der Präkursoren bzw. Edukte angeregt. Aus dieser thermischen Anregung ergeben sich in den meisten CVD-Prozessen charakteristische Temperaturbereiche mit unterschiedlicher Abhängigkeit der Abscheiderate auf dem Substrat. In der Regel gibt es drei verschiedene Bereiche: den kinetisch kontrollierten Bereich, den diffusionskontrollierter Bereich und die homogene Gasphasenreaktionen.

Bei niedrigen Temperaturen wird die Reaktion durch die Kinetik gesteuert. Die Präkursoren belegen die Adsorptionsplätze an der Substratoberfläche und zerfallen dort in Abhängigkeit ihrer Reaktionskinetik. Die Reaktionskinetik wird von der Reaktionskonstante bestimmt. Die Beschichtungsrate ist proportional der Reaktionskonstante.

Wird die Temperatur im CVD-Prozess weiter erhöht, gelangt man in der Regel in den diffusionskontrollierten Abscheidebereich. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist sehr hoch, sodass die Präkursorzufuhr die Beschichtungsrate bestimmt. Diese wird durch die Diffusion der Präkursoren von dem Gasstrom zur Substratoberfläche bestimmt. Im diffusionskontrolierten Abscheidebereich gibt die Diffusionskonstante die Temperaturabhängigkeit der Abscheiderate vor.

Wird die Temperatur letztlich weiter erhöht, gelangt man vom diffusionskontrollierten Abscheidebereich in den Bereich der homogenen Gasphasenreaktionen. In diesem Bereich finden nicht nur heterogene Reaktionen auf der Substratoberfläche statt. Bei den hohen Temperaturen können sich Keime in der Gasphase durch homogene Reaktionen bilden. Ein Teil der Präkursoren reagiert somit schon auf dem Weg zum Substrat. Die am Substrat ankommende Menge an Präkursor sinkt und die Abscheiderate nimmt ab. In vielen Fällen bildet sich ein Pulver im Gasstrom. Diese Partikel können zum überwiegendem Teil nicht zur Abscheiderate beitragen, weil der größte Anteil im Gasstrom am Substrat vorbeitransportiert wird.