化學(xué)氣相沉積課件

1、化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 Chemical Vapor Deposition , CVD化學(xué)氣相沉積主要內(nèi)容：CVD的基本原理CVD的特點(diǎn)CVD方法CVD的現(xiàn)狀和展望化學(xué)氣相沉積一、CVD的基本原理化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition ,CVD ） 利用氣態(tài)物質(zhì)在一固體表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過程。1、CVD的基本條件 1）足夠高的溫度：氣體與機(jī)體表面作用、反應(yīng)沉積時(shí)需要一定的激活能量，故CVD要在高溫下進(jìn)行。當(dāng)然，以等離子體、激光提過激活能量，可降低反應(yīng)的溫度。 2）反應(yīng)物必須有足夠高的蒸氣壓。 3）除了要得到的固態(tài)沉積物外，

2、化學(xué)反應(yīng)的生成物都必須是氣態(tài)。 4）沉積物本身的飽和蒸氣壓應(yīng)足夠低?；瘜W(xué)氣相沉積2、CVD過程反應(yīng)氣體向基體表面擴(kuò)散反應(yīng)氣體吸附于基體表面在基體表面上產(chǎn)生的氣相副產(chǎn)物脫離表面留下的反應(yīng)產(chǎn)物形成覆層化學(xué)氣相沉積3、CVD幾種典型化學(xué)反應(yīng)1）熱分解 2）還原 3）氧化4）水解5）綜合 許多鍍層的沉積包含上述兩種或幾種基本反應(yīng)。 此外，還有等離子體激發(fā)、光和激光激發(fā)等反應(yīng)。 SiH4Si2H2+CH3SiCl3SiC3HCl5001400+（在900-1000成膜）+WF63H2W6HFSiCl42Zn2ZnCl2SiF4+WSiWF6+Si+3232(氫還原)（金屬還原）（基體材料還原）SiH4O

3、2SiO22Cl2+O2SiO2+2H2SiCl4+2AlCl33H2OAl2O36HCl+化學(xué)氣相沉積4、CVD裝置 CVD設(shè)備混合氣體中某些成分分解后可以混合氣體中某些成分分解后可以單獨(dú)沉積在基體表面形成薄膜，單獨(dú)沉積在基體表面形成薄膜，或混合氣體中某些成分分解后與基體或混合氣體中某些成分分解后與基體表面相互作用形成化合物，表面相互作用形成化合物，沉積在基體表面形成薄膜沉積在基體表面形成薄膜 化學(xué)氣相沉積 初始?xì)庠?加熱反應(yīng)室 廢氣處理系統(tǒng) CVD裝置基本組成化學(xué)氣相沉積二、CVD的特點(diǎn)CVDCVD過程可在高溫或中溫下進(jìn)行過程可在高溫或中溫下進(jìn)行 CVDCVD過程可在大氣壓或低于大氣壓過程

4、可在大氣壓或低于大氣壓( (低壓低壓) )下進(jìn)行下進(jìn)行 鍍層的密度和純度可控制，鍍層的化學(xué)成分可改變鍍層的密度和純度可控制，鍍層的化學(xué)成分可改變 繞鍍性好，適用于在復(fù)雜形狀零件上沉積薄膜繞鍍性好，適用于在復(fù)雜形狀零件上沉積薄膜 可形成多種金屬、合金、陶瓷和化合物鍍層可形成多種金屬、合金、陶瓷和化合物鍍層 化學(xué)氣相沉積三、化學(xué)氣相沉積方法l熱化學(xué)氣相沉積（熱化學(xué)氣相沉積（TCVD）l低壓化學(xué)氣相沉積（低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）l等離子體化學(xué)氣相沉積（等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD）l激光（誘導(dǎo)）化學(xué)氣相沉積（激光（誘導(dǎo)）化學(xué)氣相沉積（LCVD）l金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（金屬有機(jī)化合物化學(xué)

5、氣相沉積（MOCVD）化學(xué)氣相沉積熱化學(xué)氣相沉積（TCVD）l 熱化學(xué)氣相沉積是指采用襯底表面熱催化方式進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積。l 一般在8002000的高溫反應(yīng)區(qū)，利用電阻加熱，高頻感應(yīng)加熱和輻射加熱的化學(xué)氣相沉積。這樣的高溫使襯底的選擇受到很大限制，但它是化學(xué)氣相沉積的經(jīng)典方法。l 應(yīng)用于半導(dǎo)體和其他材料。 化學(xué)氣相沉積TCVD系統(tǒng)TCVD裝置包括三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分：氣體供應(yīng)系統(tǒng)氣體供應(yīng)系統(tǒng)、反反應(yīng)室應(yīng)室及排氣系統(tǒng)排氣系統(tǒng)典型的TCVD裝置示意圖化學(xué)氣相沉積 低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD） LPCVD壓力范圍一般在1Pa410000Pa之間。由于低壓下分子平均自由程增加，因而加快了氣態(tài)分子的運(yùn)

6、輸過程，反應(yīng)物質(zhì)在工件表面的擴(kuò)散系數(shù)增大，使薄膜均勻性得到改善。對(duì)于表面擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)控制的外延生長(zhǎng)，可增大外延層的均勻性，這在大面積大規(guī)模外延生長(zhǎng)中（例如大規(guī)模硅器件工藝中的介質(zhì)膜外延生長(zhǎng)）是必要的。但對(duì)于由質(zhì)量輸送控制的外延生長(zhǎng)，上述效應(yīng)并不明顯。 化學(xué)氣相沉積LPCVD裝置示意圖LPCVD適于單晶硅、多晶硅和氮化硅等超大規(guī)模集成電路的制造對(duì)設(shè)備要求高，須有精確的壓力控制系統(tǒng)，成本高可精確控制膜層的成分和結(jié)構(gòu)化學(xué)氣相沉積 等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)1、基本原理 PCVD是將低壓氣體放電等離子體應(yīng)用于化學(xué)氣相沉積中的技術(shù)，它是用輝光放電產(chǎn)生的等離子體激活氣體分子，使化學(xué)氣相的化學(xué)反應(yīng)在低的

7、溫度下進(jìn)行，因而也稱等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）。 這是一種高頻輝光放電物理過程與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)。化學(xué)氣相沉積2、PCVD的成膜步驟反應(yīng)沉積成膜等離子體擴(kuò)散等離子體產(chǎn)生氣相物質(zhì)被激活等離子體產(chǎn)生等離子體擴(kuò)散等離子體產(chǎn)生等離子體擴(kuò)散等離子體產(chǎn)生氣相物質(zhì)被激活等離子體擴(kuò)散等離子體產(chǎn)生氣相物質(zhì)被激活等離子體擴(kuò)散等離子體產(chǎn)生外電場(chǎng)提高能量，利用低壓氣體的輝光放電產(chǎn)生等離子體反應(yīng)沉積成膜反應(yīng)沉積成膜氣相物質(zhì)被激活氣相物質(zhì)被激活等離子體擴(kuò)散等離子體擴(kuò)散等離子體產(chǎn)生等離子體產(chǎn)生輝光放電的壓力較低，加速了等離子體的質(zhì)量輸送和擴(kuò)散利用直流、射頻、激光等手段，激活反應(yīng)氣體活體粒子在基體表面發(fā)生化學(xué)反

8、應(yīng)，形成膜層等離子體擴(kuò)散等離子體擴(kuò)散等離子體產(chǎn)生等離子體產(chǎn)生氣相物質(zhì)被激活氣相物質(zhì)被激活等離子體擴(kuò)散等離子體擴(kuò)散等離子體產(chǎn)生等離子體產(chǎn)生氣相物質(zhì)被激活氣相物質(zhì)被激活等離子體擴(kuò)散等離子體擴(kuò)散等離子體產(chǎn)生等離子體產(chǎn)生氣相物質(zhì)被激活氣相物質(zhì)被激活等離子體擴(kuò)散等離子體擴(kuò)散等離子體產(chǎn)生等離子體產(chǎn)生反應(yīng)沉積成膜反應(yīng)沉積成膜氣相物質(zhì)被激活氣相物質(zhì)被激活等離子體擴(kuò)散等離子體擴(kuò)散等離子體產(chǎn)生等離子體產(chǎn)生化學(xué)氣相沉積3、PCVD的特點(diǎn)成膜溫度低成膜溫度低沉積速率高沉積速率高膜層結(jié)合力高膜層結(jié)合力高膜層質(zhì)量好膜層質(zhì)量好能進(jìn)行根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律難以發(fā)生的反應(yīng)能進(jìn)行根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律難以發(fā)生的反應(yīng)化學(xué)氣相沉積4、PCVD與CV

9、D裝置結(jié)構(gòu)相近，只是需要增加能產(chǎn)生等離子體的反應(yīng)器。用于激發(fā)CVD反應(yīng)的等離子體有： 直流等離子體 射頻射頻等離子體 微波微波等離子體 脈沖脈沖等離子體化學(xué)氣相沉積直流等離子體法(DCPCVD) 利用直流電等離子體激活化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行氣相沉積的技術(shù)。DCPCVD裝置示意圖1-真空室2-工作臺(tái)3-電源和控制系統(tǒng)4-紅外測(cè)溫儀5-真空計(jì)6-機(jī)械泵化學(xué)氣相沉積射頻等離子體法(RFPCVD) 利用射頻輝光放電產(chǎn)生的等離子體激活化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行氣相沉積的技術(shù)。 電感耦合和電容耦合是供應(yīng)射頻功率的兩種基本耦合方式。 射頻傳輸是通過電路實(shí)現(xiàn)的，在放電空間建立的是縱向電場(chǎng)。 射頻法可用來沉積絕緣薄膜?；瘜W(xué)氣相沉積微

10、波等離子體法(MWPCVD) 用微波放電產(chǎn)生等離子體激活化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行氣相沉積的技術(shù)。 微波放電無電極，放電氣壓范圍寬，能量轉(zhuǎn)換率高，能產(chǎn)生高密度等離子體。 微波等離子體比射頻等離子體氣體離子化高，放電非常穩(wěn)定，等離子體可以不與器壁接觸，有利于制備高質(zhì)量薄膜。 微波等離子體可在10Pa至大氣壓的壓力范圍內(nèi)產(chǎn)生?；瘜W(xué)氣相沉積MWPCVD裝置示意圖可進(jìn)一步降低基材溫度、原子的擴(kuò)散能力，減少空位、錯(cuò)位等缺陷電極不會(huì)受到污染，受等離子體的破壞小，薄膜的完整性高適于制備低熔點(diǎn)和高溫下不穩(wěn)定的化合物薄膜化學(xué)氣相沉積PCVD的激發(fā)方式的工作參數(shù)及特性激發(fā)方式工藝參數(shù)特點(diǎn)沉積膜直流等離子體沉積溫度/速率500-

11、600/ 2-5m/h直流電壓/4000V/16-49Am真空1.3310-100Pa反應(yīng)溫度低膜均勻附差性良好TiC射頻等離子體沉積溫度/速率300-500/ 1-3m/h頻率13.56MHz射頻功率500W反應(yīng)溫度低相同溫度比CVD沉積速度快近2倍TiC(500)TiN(300)微波等離子體磁控管2450MHz微波反應(yīng)氣體活化程度高Si2N4脈沖等離子體沉積溫度：室溫激發(fā)溫度10000K脈沖半周能耗1800-2700J沉積溫度低膜厚均勻附著性良好膜硬度高、光滑，純度不高金剛石化學(xué)氣相沉積5、PCVD的重要應(yīng)用 絕緣薄膜的PCVD沉積 在低溫下沉積氮化硅、氧化硅或硅的氮氧化物一類的絕緣薄膜，

12、對(duì)于超大規(guī)模集成芯片（VLSI）的生產(chǎn)是至關(guān)重要的。 非晶和多晶硅薄膜的PCVD沉積 金剛石和類金剛石的PCVD沉積 等離子體聚合 等離子體聚合技術(shù)正越來越廣泛的應(yīng)用于開發(fā)具有界電特征、導(dǎo)電特性、感光特性、光電轉(zhuǎn)換功能或儲(chǔ)存器開關(guān)功能的等離子體聚合膜和一些重要的有機(jī)金屬?gòu)?fù)合材料?；瘜W(xué)氣相沉積 激光(誘導(dǎo))化學(xué)氣相沉(LCVD)u LCVD是指利用激光束的光子能量激發(fā)和促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)薄膜沉積的化學(xué)氣相沉積技術(shù)。u按激光作用機(jī)制，可分為激光熱解沉積和激光光解沉積兩種。 熱解機(jī)制：光子加熱使在襯底上的氣體熱 解發(fā)生沉積 光解機(jī)制：靠光子能量直接使氣體分解 （單光 子吸收）化學(xué)氣相沉積激光熱解機(jī)制

13、示意圖激光光解機(jī)制示意圖要求襯底對(duì)激光吸收系數(shù)較高大多要求能打斷反應(yīng)氣體分子化學(xué)鍵的足夠能量的光子紫外光化學(xué)氣相沉積LCVD裝置示意圖與常規(guī)與常規(guī)CVD相相比，比，LCVD可大可大大降低基材的溫大降低基材的溫度，可在不能度，可在不能承受高溫度基承受高溫度基材上合成薄膜材上合成薄膜與與PCVD相比，相比，LCVD可避免高能粒子輻照對(duì)薄膜可避免高能粒子輻照對(duì)薄膜的損傷，更好的控制薄膜的結(jié)構(gòu)，提高薄膜的純度的損傷，更好的控制薄膜的結(jié)構(gòu)，提高薄膜的純度化學(xué)氣相沉積uLCVD的應(yīng)用 LCVD是近年來迅速發(fā)展的先進(jìn)表面沉積技術(shù)，其應(yīng)用前景廣闊。在太陽能電池、超大規(guī)模集成電路、特殊的功能膜及光學(xué)膜、硬膜及超

14、硬膜等方面都有重要的應(yīng)用?；瘜W(xué)氣相沉積 金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉(MOCVD) MOCVD是利用金屬有機(jī)化合物熱分解反應(yīng)進(jìn)行氣相外延生長(zhǎng)的方法，即把含有外延材料組分的金屬有機(jī)化合物和氫化物（或其他反應(yīng)氣體）作為原料氣體輸運(yùn)到反應(yīng)室，在一定的溫度下進(jìn)行外延生長(zhǎng)形成薄膜。 金屬有機(jī)化合物可在較低溫度下熱解或光解，沉積出金屬、氧化物、氮化物、硫化物等，特別是化合物半導(dǎo)體無機(jī)膜（包括單晶體外延膜、多晶膜和非晶膜）。化學(xué)氣相沉積 MOCVD可構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面膜，創(chuàng)造出新的功能材料。 與常規(guī)CVD相比，MOCVD的特點(diǎn)主要是： 沉積溫度低 能沉積單晶、多晶、非晶的多層和超薄膜 可大規(guī)模低成本制備復(fù)雜組分

15、的薄膜和化合物 半導(dǎo)體材料 沉積速度慢，僅適宜沉積微米級(jí)的表面層 原料的毒性較大化學(xué)氣相沉積 MOCVD的應(yīng)用 MOCVD作為氣相外延獨(dú)特的沉積技術(shù)，主要應(yīng)用于族及族半導(dǎo)體化合物材料的氣相外延。除此之外，當(dāng)襯底不能承受熱CVD所需要的高溫時(shí)，MOCVD也用于沉積各種金屬、氧化物、硅化物和碳化物等涂層?；瘜W(xué)氣相沉積四、CVD的現(xiàn)狀和展望氣相沉積膜附著力強(qiáng)，厚度均勻，質(zhì)量好，沉積速率快，選材廣，環(huán)境污染輕，可以滿足許多現(xiàn)代工業(yè)、科學(xué)發(fā)展提出的新要求，因而發(fā)展相當(dāng)迅速。它能制備耐磨膜、潤(rùn)滑膜、耐蝕膜、耐熱膜、裝飾膜以及磁性膜、光學(xué)膜、超導(dǎo)膜等功能膜，因而在機(jī)械制造工業(yè)電子、電器、通訊、航空航天、原子能、輕工等部門得到廣泛的應(yīng)用。化學(xué)氣