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Lexikon der Physik: chemische Gasphasenabscheidung

chemische Gasphasenabscheidung, Chemical Vapor Deposition, CVD, eine Beschichtungstechnologie zur Abscheidung von meist dünnen Schichten aus der Gasphase auf einem festen Substrat. Im Gegensatz zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) geschieht dies unter Beteiligung einer chemischen Reaktion, z.B. reagiert eine flüchtige gasförmige Komponente mit einem anderen Gas zu einem festen Material, das abgeschieden wird. Durch die Vielzahl der möglichen chemischen Reaktionen kann mit der CVD eine sehr große Anzahl von Materialien hergestellt werden: dünne Metall-, Metalloxid- und Halbleiterschichten, Siliciumoxid- und Polymerschichten.

Das Prinzip des Verfahrens besteht darin, daß gasförmige Ausgangsmaterialien, sog. Precursoren, über ein Substrat geleitet und dort chemisch zerlegt werden, wodurch auf der Substratoberfläche eine neue Schicht wächst. Die Zerlegung der Precursoren erfolgt meist thermisch durch Heizen des Substrates, allerdings existieren auch andere Verfahren, wie z.B. die Plasmaanregung und die Anregung mittels Licht. Kernstück einer CVD-Anlage ist der Reaktor mit dem Substrat (Abb.). Er ist mit einem Gasleitungssystem verbunden, über das die Zuleitung der Precursoren, teils mit Hilfe eines Trägergases (H2, N2, He) erfolgt. Nach der chemischen Reaktion und dem Filmwachstum werden die verbleibenden Reaktanden abgepumpt. Je nach Druckbereich und Art der Precursor-Zerlegung unterscheidet man verschiedene CVD-Methoden, die spezifisch für das Wachstum bestimmter Materialien eingesetzt werden (Tab.). Das physikalische Verständnis der Vorgänge bei der CVD ist Gegenstand aktueller Forschung. Als Grenzfälle betrachtet man das System im thermodynamischen Gleichgewicht und berechnet die Gleichgewichtsverteilung der einzelnen Spezies im Reaktor. Variation der Temperatur kann zur Verschiebung des Reaktionsgleichgewichtes führen, was entweder eine Übersättigung der Gasphase, gefolgt von der Kondensation der entsprechenden Spezies, oder das Ätzen der Oberfläche zur Folge hat (wenn die Konzentration in der Gasphase erhöht werden muß). Die thermodynamische Beschreibung wurde erfolgreich in der Si-Epitaxie eingesetzt, führte in der III-V-Epitaxie allerdings nicht zum Erfolg. Bei einem anderen Ansatz versucht man, anhand kinetischer Modelle die Vorgänge im Reaktor mikroskopisch zu beschreiben. Hierzu fehlt jedoch oft eine genaue Kenntnis der einzelnen Zerlegungsreaktionen. Generell kann man bei der CVD zwischen drei thermochemischen Prozessen unterscheiden:

- Pyrolyse, z.B. in der Si-Epitaxie:

2 SiHCl3(g)

2 Si(s) + H2(g) + 3 Cl2(g)

- pyrolytische Synthese, z.B. in der metallorganischen Gasphasenepitaxie von III-V-Materialien:

(C2H5)3In(g) + PH3(g)

InP(s) + 3 C2H6(g)

- chemischer Transport, z.B. in der Chlorid-Epitaxie:

2 GaP(s) + 2 HCl(g)

2 GaCl(g) + P2(g) + H2(g)

(s: solid, fest; g: gasförmig).

Bei der CVD kann man auch zwischen Prozessen bei Normaldruck und unter Vakuumbedingungen (Niederdruck-CVD, low pressure CVD, LPCVD) sowie zwischen Hoch- und Niedertemperaturprozessen unterscheiden. In diesem Schema sind häufige Reaktionstypen die thermische Pyrolyse (z.B. Herstellung von Nickeldünnschichten bei 180°C: Ni(CO)4

Ni + 4(CO) sowie die thermische Reduktion (Herstellung von epitaxischen Siliciumschichten bei 1200°C: SiCl4 + 2H2

Si + 4HCl) und Oxidation (Herstellung von Siliciumoxidschichten bei 450°C: SiH4 + O2

SiO2 + 2H2). Die Beschichtung kann auch aus zwei reaktiven Komponenten erfolgen (Herstellung von Siliciumcarbid bei 1400°C: SiCl4 + CH4

SiC + 4HCl). Bei unterschiedlich stabilen flüchtigen Verbindungen kann eine Schichtbildung durch Disproportionierung erfolgen. Dabei wird das Ausgangsmaterial als flüchtige Verbindung in die Gasphase gebracht, z.B. 2GeI2

Ge + GeI4 bei 300°C. Das elementare Germanium wird als Schicht abgeschieden. Bei 600°C zersetzt sich das GeI4 wieder zu GeI2, das freiwerdende Jod reagiert wiederum mit der geheizten, noch als Festkörper vorliegenden Germaniumquelle. Es kommt zu einem Massentransport zwischen dem heißeren und dem kälteren Bereich der Beschichtungsapparatur.

Bei der metallorganischen Gasphasenabscheidung (metal organic CVD, MOCVD) werden metallorganische Verbindungen (z.B. Trimethylgallium) als Ausgangssubstanzen, insbesondere für die Herstellung von Halbleiterschichten durch Pyrolyse, verwendet: (CH3)Ga + AsH

GaAs + 3CH4.

Neben der thermischen Anregung ist die Auslösung der chemischen Reaktion auch durch eine Niederdruck-Plasmaentladung möglich (plasmaangeregte CVD, plasma enhanced CVD, PECVD, Plasmabeschichtung). Das reaktive Gas durchläuft dabei eine Hochfrequenzentladungsstrecke, das Substrat wird auf einer Elektrode plaziert. Mit dieser Methode werden z.B. Nitridschichten (SiN4, TiN) hergestellt. Eine optische Anregung der reagierenden Moleküle (photolytische Dissoziation) kann durch ultraviolettes Licht oder durch Laserbestrahlung (laserunterstützte CVD, laser assisted LACVD) erfolgen. Dabei kann auch die Erwärmung des Substrats ausgenutzt werden (Laserpyrolyse).

Die Anwendungsgebiete der CVD sind vielfältig, sie ist eine verbreitete Methode zur industriellen Fertigung von mechanischen Schichten (z.B. auf Schneidwerkzeugen oder Kugellagern) und zur Produktion qualitativ hochwertiger epitaktischer Schichten, beispielsweise für DRAMs, ICs, LEDs, Halbleiterlasern, FETs und Solarzellen. Erforscht wird aber auch die Einsatzmöglichkeit der CVD zur Herstellung neuartiger Bauelemente unter Ausnutzung von Quanteneffekten in ein- und zweidimensionalen Quantenstrukturen. [AH, URE]

chemische Gasphasenabscheidung: Überblick über gebräuchliche CVD-Methoden.

Wachstumstechnik Arbeitsdruck (Torr) Depositions-
temperatur
Anregung Anwendung
APCVD
atmospheric pressure CVD
(CVD bei Normaldruck)
760 150-1200 thermisch Silizium Epitaxie,
Siliziumcarbid,
III-V und II-VI MOCVD,
ALE von III-V-Verbindungen,
Wolframsilizid,
RPCVD
reduced pressure CVD
(CVD bei reduziertem Druck)
10-80 150-1050 thermisch Silizium Epitaxie,
Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid,
III-V-MOCVD
LPCVD
low pressure CVD
(CVD bei geringem Druck)
0,2-2,0 150-650 thermisch polycristallines Silizium,
amorphes Silizium,
Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid,
Wolfram, Kupfer, Aluminium
CVD im Molekularfluß ≤ 10-3 400-800 thermisch Silizium Epitaxie bei geringen Temperaturen;
Gas-Source MBE von Silizium und III-V-Verbidungen,
ALE von III-V-Verbindungen
PVCVD
Plasma-enhanced CVD
(Plasma -stimulierte CVD)
0,001-0,5 25-800 rf
Mikrowellen
ECR
amorphes Silizium,
Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid,
amorpher Kohlenstoff,
Diamant,
Siliziumcarbid,
Silizium Epitaxie bei geringen Temperaturen
Photo-CVD
Photolytic CVD
(phytolytische CVD
80 150-600 photolytisch Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid,
Silizium Epitaxie bei geringen Temperaturen;
Metalle (W, Cu, Au..)

ALE: atomic layer epitaxy, ECR: electron-cyclotron-resonance



chemische Gasphasenabscheidung: Schematische Darstellung eines CVD-Systems. Gas fließt über ein geheiztes Substrat und wird dort thermisch zerlegt, gefolgt vom Schichtwachstum auf dem Substrat. Die übriggebliebenen Bestandteile werden abgeführt.

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Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
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Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
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Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Warwick, UK [RM1] (A) (23)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09; Essay Akustik)
Guenter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Maritha Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Christopher Monroe, Boulder, USA [CM] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Regensburg [NN] (A) (05)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06; Essay Analytische Mechanik)
Prof. Dr. Harry Paul, Berlin [HP] (A) (13)
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Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14; Essay Allgemeine Relativitätstheorie)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Prof. Dr. Günter Radons, Stuttgart [GR2] (A) (11)
Oliver Rattunde, Freiburg [OR2] (A) (16; Essay Clusterphysik)
Dr. Karl-Henning Rehren, Göttingen [KHR] (A) (Essay Algebraische Quantenfeldtheorie)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
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Prof. Dr. Hermann Rietschel, Karlsruhe [HR1] (A, B) (23)
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Hans-Jörg Rutsch, Heidelberg [HJR] (A) (29)
Dr. Margit Sarstedt, Newcastle upon Tyne, UK [MS2] (A) (25)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
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Prof. Dr. Heinz-Georg Schuster, Kiel [HGS] (A, B) (11; Essay Chaos)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
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Dr. Christian Eurich, Bremen [CE] (A) (Essay Neuronale Netze)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
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Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
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Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
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Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen, [JK] (A) (04; Essay Numerische Methoden in der Physik)
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Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
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Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15; Essay Quanteninformatik)
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Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15; Essay Quantenmechanik und ihre Interpretationen)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Dr. Margit Sarstedt, Leuven, B [MS2] (A) (25)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
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Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
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Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23; Essay Organische Supraleiter)
Priv.-Doz. Dr. Jörg Zegenhagen, Stuttgart [JZ3] (A) (21; Essay Oberflächenrekonstruktionen)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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Prof. Dr. Klaus Andres, Garching [KA] (A) (10)
Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
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Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
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Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
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Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
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Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
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Dr. Detlef Lohse, Twente, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
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Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
Dr. Berthold Suchan, Gießen [BS] (A) (Essay Wissenschaftsphilosophie)
Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
Dr. Volker Theileis, München [VT] (A) (20)
Prof. Dr. Stefan Theisen, München (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Dr. Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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