CVDおよびPECVD炉

化学蒸着 (CVD) は、加熱、プラズマ励起、光放射などのさまざまなエネルギー源を使用して、気相または気固界面で気体または蒸気の化学物質を化学反応させ、反応器内に固体堆積物を形成する技術です。化学反応。簡単に言うと、2 つ以上のガス状原料が反応チャンバーに導入され、それらが互いに反応して新しい材料を形成し、それを基板表面に堆積させます。

CVD炉は、高温管状炉ユニット、ガス制御ユニット、真空ユニットを備えた1つの複合炉システムであり、複合材料の調製、マイクロエレクトロニクスプロセス、半導体オプトエレクトロニクス、太陽エネルギー利用、光ファイバー通信、超伝導体の実験と生産に広く使用されています。技術、保護コーティング分野。

実験用管状炉は、古典的な外部加熱高温管状炉の 1 つであり、ホットウォール加熱炉とも呼ばれます。

異なる使用温度に応じて、炉管の材質は通常、透明な石英管、高純度のアルミナセラミック管、高強度金属合金管になります。

さまざまな熱研究目的を満たすために、管状炉は複数の加熱ゾーンを備えて設計でき、管状作業室内の温度勾配を柔軟に制御できます。炉心管は、制御された雰囲気作業環境または高真空作業環境で動作できます。

CVD炉システムは、高温管状炉ユニット、反応ガス源精密制御ユニット、真空ポンプステーションおよび対応する組立部品で構成されています。

真空ポンプは反応管から空気を除去し、反応管内に不要なガスがないことを確認します。その後、管状炉が反応管を目標温度まで加熱し、反応ガス源の精密制御ユニットがさまざまなガスを導入できます。化学反応用の炉管内に設定された比率のガスが導入され、CVD 炉内で化学気相成長が形成されます。

管状炉の加熱要素は円筒状キャビティの周囲に配置されます。炉は間接的な熱放射によってのみ円筒状キャビティ内のサンプルを加熱できます。これは、管状炉によりサンプル材料が炉の加熱要素や断熱材と接触するのを防ぐことができるため、管状炉はきれいな隔離された炉を作成します。チャンバーを加熱し、サンプル材料が炉によって汚染されるリスクを軽減します。

CVD プロセスでは使用できるガス源が膨大にあり、CVD の一般的な化学反応には熱分解、光分解、還元、酸化、酸化還元が含まれるため、これらの化学反応に関与するガスを CVD プロセスで使用できます。

CVD グラフェン成長を例に挙げます。CVD プロセスで使用されるガスは CH4、H2、O2、N2 です。

管状炉は主に冶金、ガラス、熱処理、リチウムアノードおよびカソード材料、新エネルギー、研磨材およびその他の産業で使用され、特定の温度条件下で材料を測定するための専門的な機器です。

シンプルな構造、簡単な操作、簡単な制御、連続生産が特徴の管状炉です。

管状炉は、CVD (化学気相成長) およびプラズマ強化 CVD システムにも広く適用されています。

• 金属膜、非金属膜、多成分合金膜など、ご要望に応じて幅広い膜の製造が可能です。同時に、GaNやBPなど他の方法では得られない高品質な結晶を作製することができます。
• 成膜速度は速く、通常は毎分数ミクロン、場合によっては毎分数百ミクロンです。液相エピタキシー（LPE）や分子線エピタキシー（MBE）など他の成膜法とは比べものにならない、均一な組成のコーティングを同時に大量に成膜することが可能です。
• 作業条件は常圧または低真空条件下で行われるため、コーティングの回折性が良好で、複雑な形状のワークピースでも均一にコーティングでき、PVD に比べてはるかに優れています。
• 反応ガス、反応生成物、基材の相互拡散により、耐摩耗性や耐腐食性の皮膜などの表面強化皮膜の作製に重要な密着強度の高い皮膜が得られます。
• 一部のフィルムは、フィルム材料の融点よりもはるかに低い温度で成長します。低温成長条件下では、反応ガスと反応炉壁およびそれらに含まれる不純物とがほとんど反応しないため、高純度で結晶性の良い膜が得られる。
• 化学気相成長法では平滑な成膜面が得られます。これは、LPE と比較して、化学気相成長 (CVD) が高飽和下で行われるため、核生成率が高く、核生成密度が高く、面内均一に分布するため、巨視的に滑らかな表面が得られます。同時に、化学蒸着では、分子（原子）の平均自由行程が LPE よりもはるかに大きいため、分子の空間分布がより均一になり、滑らかな蒸着表面の形成に役立ちます。
• 金属酸化物半導体（MOS）やその他のデバイスの製造に必要な条件である放射線ダメージが低い

管状炉はさまざまな機械的機能をスムーズに動作させることができるため、さまざまな実験目的に応じてさまざまなタイプの管状炉のバリエーションがあり、代表的な炉炉は次のとおりです。

• 横型管状炉
• 縦型管状炉
• 分割管状炉
• ロータリー管状炉
• 傾斜管状炉
• スライド管状炉
• 高速加熱冷却管状炉
• 連続供給・排出管状炉

薄膜堆積では、一般的に金属、酸化物、化合物を材料として利用しますが、それぞれに独自の長所と短所があります。金属は耐久性と堆積の容易さの点で好まれますが、比較的高価です。酸化物は耐久性が高く、高温に耐え、低温でも堆積させることができますが、脆くて加工が難しい場合があります。化合物は強度と耐久性を備え、低温で堆積でき、特定の特性を示すように調整できます。

薄膜コーティングの材料の選択は、用途の要件によって異なります。金属は熱と電気の伝導に理想的ですが、酸化物は保護を提供するのに効果的です。化合物は特定のニーズに合わせて調整できます。最終的に、特定のプロジェクトに最適な素材は、アプリケーションの特定のニーズによって異なります。

PECVDは、プラズマを利用して反応ガスを活性化し、基板表面または表面近傍空間での化学反応を促進し、固体膜を生成する技術です。プラズマ化学蒸着技術の基本原理は、RF または DC 電場の作用下でソースガスがイオン化されてプラズマを形成し、低温プラズマがエネルギー源として使用され、適切な量の反応ガスが生成されます。を導入し、プラズマ放電を利用して反応ガスを活性化し、化学気相成長を実現します。

プラズマの発生方法により、RFプラズマ、DCプラズマ、マイクロ波プラズマCVDなどに分けられます。

望ましい特性を備えた薄膜を実現するには、高品質のスパッタリングターゲットと蒸着材料が不可欠です。これらの材料の品質は、純度、粒子サイズ、表面状態などのさまざまな要因によって影響されます。

不純物は得られる薄膜に欠陥を引き起こす可能性があるため、スパッタリングターゲットまたは蒸着材料の純度は重要な役割を果たします。粒子サイズも薄膜の品質に影響を与え、粒子が大きくなると膜の特性が低下します。さらに、表面が粗いとフィルムに欠陥が生じる可能性があるため、表面状態も非常に重要です。

最高品質のスパッタリングターゲットと蒸着材料を得るには、高純度、小さな粒径、滑らかな表面を備えた材料を選択することが重要です。

酸化亜鉛系薄膜

ZnO 薄膜は、熱、光学、磁気、電気などのさまざまな産業で応用されていますが、主な用途はコーティングと半導体デバイスです。

薄膜抵抗器

薄膜抵抗器は現代のテクノロジーにとって極めて重要であり、ラジオ受信機、回路基板、コンピューター、高周波デバイス、モニター、ワイヤレス ルーター、Bluetooth モジュール、および携帯電話受信機で使用されています。

磁性薄膜

磁性薄膜は、エレクトロニクス、データストレージ、無線周波数識別、マイクロ波装置、ディスプレイ、回路基板、オプトエレクトロニクスの主要コンポーネントとして使用されています。

光学薄膜

光学コーティングとオプトエレクトロニクスは、光学薄膜の標準的な用途です。分子線エピタキシーでは、光電子薄膜デバイス (半導体) を製造できます。この場合、エピタキシャル膜は一度に 1 原子ずつ基板上に堆積されます。

高分子薄膜

ポリマー薄膜は、メモリチップ、太陽電池、電子デバイスに使用されます。化学蒸着技術 (CVD) により、適合性やコーティングの厚さを含むポリマー フィルム コーティングを正確に制御できます。

薄膜電池

薄膜電池は埋め込み型医療機器などの電子機器に電力を供給しており、リチウムイオン電池は薄膜の使用により大幅に進歩しました。

薄膜コーティング

薄膜コーティングは、さまざまな産業や技術分野におけるターゲット材料の化学的および機械的特性を強化します。一般的な例としては、反射防止コーティング、紫外線防止または赤外線防止コーティング、傷防止コーティング、レンズの偏光などが挙げられます。

薄膜太陽電池

薄膜太陽電池は太陽エネルギー産業にとって不可欠であり、比較的安価でクリーンな電力の生産を可能にします。太陽光発電システムと熱エネルギーは、適用可能な 2 つの主要な技術です。

PECVD と従来の CVD 技術の違いは、プラズマには大量の高エネルギー電子が含まれており、化学蒸着プロセスで必要な活性化エネルギーを提供できるため、反応システムのエネルギー供給モードが変化することです。プラズマ中の電子温度は 10000K と高いため、電子とガス分子の衝突により反応ガス分子の化学結合の切断と再結合が促進され、より活性な化学基が生成され、同時に反応系全体がより低い温度を維持します。

したがって、CVD プロセスと比較して、PECVD は同じ化学気相成長プロセスをより低い温度で実行できます。

堆積速度:

フィルムの製造速度（通常は厚さを時間で割った値で測定されます）は、用途に適した技術を選択するために重要です。薄膜には中程度の堆積速度で十分ですが、厚い膜には速い堆積速度が必要です。速度と正確な膜厚制御のバランスをとることが重要です。

均一：

基板全体にわたるフィルムの一貫性は均一性として知られており、通常はフィルムの厚さを指しますが、屈折率などの他の特性にも関係する場合があります。均一性の過小または過大な仕様を避けるために、アプリケーションをよく理解することが重要です。

充填能力:

充填能力またはステップカバレージは、堆積プロセスが基板のトポグラフィーをどの程度うまくカバーするかを指します。使用される堆積方法 (CVD、PVD、IBD、または ALD など) は、ステップ カバレッジと充填に大きな影響を与えます。

フィルムの特徴:

フィルムの特性は、フォトニック、光学、電子、機械、または化学に分類できるアプリケーションの要件によって異なります。ほとんどの映画は、複数のカテゴリの要件を満たす必要があります。

プロセス温度:

フィルムの特性はプロセス温度に大きく影響され、アプリケーションによって制限される場合があります。

ダメージ：

各堆積技術には、堆積される材料に損傷を与える可能性があり、フィーチャが小さいほどプロセス損傷を受けやすくなります。潜在的な損傷源には、汚染、紫外線、イオン衝撃などがあります。材料とツールの限界を理解することが重要です。