化學(xué)氣相沉積法制備薄膜

1、會(huì)計(jì)學(xué)1化學(xué)氣相沉積法制備薄膜化學(xué)氣相沉積法制備薄膜第1頁/共49頁2第1頁/共49頁第2頁/共49頁31 1 化學(xué)氣相沉積方法發(fā)化學(xué)氣相沉積方法發(fā)展簡(jiǎn)史展簡(jiǎn)史2020世紀(jì)世紀(jì)60-60-7070年代用年代用于集成電于集成電路路第2頁/共49頁第3頁/共49頁4化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相沉積（CVD）：n 通過化學(xué)反應(yīng)的方式，利用加熱、等離子激勵(lì)或光輻射等各種能源，在反應(yīng)器內(nèi)使氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在氣相或氣固界面上經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)沉積物的技術(shù)。n 簡(jiǎn)單來說就是兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi),然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到基片表面上。n 從氣相中析出的固體

2、的形態(tài)主要有：在固體表面上生成薄膜、晶須和晶粒，在氣體中生成粒子。2 CVD2 CVD的基本概念的基本概念及原理及原理第3頁/共49頁第4頁/共49頁5CVD技術(shù)要求技術(shù)要求：n 反應(yīng)劑在室溫或不太高的溫度下最好是氣態(tài)或有較高的蒸氣壓而易于揮發(fā)成蒸汽的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，且有很高的純度；n 通過沉積反應(yīng)易于生成所需要的材料沉積物，而其他副產(chǎn)物均易揮發(fā)而留在氣相排出或易于分離；n 反應(yīng)易于控制。第4頁/共49頁第5頁/共49頁6CVD技術(shù)分類技術(shù)分類：CVD技術(shù)技術(shù)金屬有機(jī)物金屬有機(jī)物 CVD(MOCVD)快熱快熱 CVD(RTCVD)高密度等離子體高密度等離子體CVD(HDPCVD等離子體增強(qiáng)等離

3、子體增強(qiáng)CVD(PECVD)超高真空超高真空CVD(UHCVD)亞常壓亞常壓 CVD(SACVD)常壓常壓CVD（APCVD）低壓低壓CVD（LPCVD）按反應(yīng)類型或壓力分類按沉積中是否含有化學(xué)反應(yīng)分類物理氣相沉積化學(xué)氣相沉積第5頁/共49頁第6頁/共49頁7常用常用CVD技術(shù)技術(shù)：沉積方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)常壓化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單沉積速率快低溫沉積階梯覆蓋能差粒子污染低壓化學(xué)氣相沉積高純度階梯覆蓋能力極佳產(chǎn)量高適合于大規(guī)模生產(chǎn)高溫沉積低沉積速率等離子化學(xué)氣相沉積低溫制程高沉積速率階梯覆蓋性好化學(xué)污染粒子污染第6頁/共49頁第7頁/共49頁8CVD技術(shù)的反應(yīng)原理技術(shù)的反應(yīng)原理熱熱分解反分解反應(yīng)應(yīng)氧

4、氧化化還還原反原反應(yīng)應(yīng)化化學(xué)學(xué)合成反合成反應(yīng)應(yīng)化化學(xué)輸運(yùn)學(xué)輸運(yùn)反反應(yīng)應(yīng)等離子體增強(qiáng)反等離子體增強(qiáng)反應(yīng)應(yīng)0475C3 224Cd(CH) +HSCdS+2CH 0325475C4222SiH+2OSiO+2HO 0750C43423SiH+4NHSiN+12H 001400 C263000 CW(s)+3I (g)WI (g) 0350 C42SiHa-Si(H)+2H 其他能源增強(qiáng)反其他能源增強(qiáng)反應(yīng)應(yīng)6W(CO)W+6CO 激光束第7頁/共49頁第8頁/共49頁9熱分解反應(yīng)熱分解反應(yīng)： 在真空或惰性氣氛下將襯底加熱到一定溫度后導(dǎo)入反應(yīng)氣態(tài)源物質(zhì)使之發(fā)生熱分解，最后在襯底上沉積出所需的固態(tài)材料。

5、n 氫化物分解： n 金屬有機(jī)化合物的熱分解：n 氫化物和金屬有機(jī)化合物體系的熱分解n 其他氣態(tài)絡(luò)合物及復(fù)合物的熱分解2100060042HCCHOHHCSiOHOCSi242285075045224)(46756303333)(CHGaAsAsHCHGaCONiCONi4)(2401404第8頁/共49頁第9頁/共49頁10氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)：n 一些元素的氫化物及有機(jī)烷基化合物常常是氣態(tài)的或者是易于揮發(fā)的液體或固體，CVD技術(shù)中如果同時(shí)通入氧氣，在反應(yīng)器中發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)就沉積出相應(yīng)于該元素的氧化物薄膜。n 氫還原法是制取高純度金屬膜的好方法，工藝溫度較低，操作簡(jiǎn)單，因此有很大的實(shí)用價(jià)

6、值。0325475422222CSiHOSiOHO 030050042622 322215210CSiHBHOBOHO 045023 622 322()1296CAl CHOAlOHOCO 03006236CW FHWHF 0115012004224CSiClHSiHCl 第9頁/共49頁第10頁/共49頁11化學(xué)合成反應(yīng)化學(xué)合成反應(yīng)：n 由兩種或兩種以上的反應(yīng)原料氣在沉積反應(yīng)器中相互作用合成得到所需要的無機(jī)薄膜或其它材料形式的方法。與熱分解法比，這種方法的應(yīng)用更為廣泛，因?yàn)榭捎糜跓岱纸獬练e的化合物并不很多，而無機(jī)材料原則上都可以通過合適的反應(yīng)合成得到。075043423412CSiHNHSi

7、NH 085090042243412CSiClNHSiNHCl 第10頁/共49頁第11頁/共49頁12化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)：n 把所需要沉積的物質(zhì)作為源物質(zhì)，使之與適當(dāng)?shù)臍怏w介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并形成一種氣態(tài)化合物。這種氣態(tài)化合物經(jīng)化學(xué)遷移或物理載帶而輸運(yùn)到與源區(qū)溫度不同的沉積區(qū)，再發(fā)生逆向反應(yīng)生成源物質(zhì)而沉積出來。這樣的沉積過程稱為化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)沉積。也有些原料物質(zhì)本身不容易發(fā)生分解，而需添加另一種物質(zhì)（稱為輸運(yùn)劑）來促進(jìn)輸運(yùn)中間氣態(tài)產(chǎn)物的生成。21222( ) 2 ( )2( )( )TTHgS sI gHg gS g 第11頁/共49頁第12頁/共49頁13等離子體增強(qiáng)反應(yīng)等離子體增強(qiáng)反應(yīng)：

8、n 在低真空條件下，利用RF、MW或ECR等方法實(shí)現(xiàn)氣體輝光放電在沉積反應(yīng)器中產(chǎn)生等離子體。由于等離子體中正離子、電子和中性反應(yīng)分子相互碰撞，可以大大降低沉積溫度。例如硅烷和氨氣的反應(yīng)在通常條件下，約在850左右反應(yīng)并沉積氮化硅，但在等離子體增強(qiáng)反應(yīng)的條件下，只需在350左右就可以生成氮化硅。035042() .CxxySiHxNOSiOSiOH 或035043() .CxxySiHxNHSiNSiNH 或035042( ) 2CSiHa Si HH 第12頁/共49頁第13頁/共49頁14其它能源增強(qiáng)反應(yīng)其它能源增強(qiáng)反應(yīng)：n 采用激光、火焰燃燒法、熱絲法等其它能源也可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)反應(yīng)沉積的目的

9、。6()6WCOWCO 激 光 束2100080042HCCH（碳黑）火焰2100080042HCCH（金剛石）熱絲第13頁/共49頁第14頁/共49頁153.1 3.1 化學(xué)氣相沉積法合成生產(chǎn)化學(xué)氣相沉積法合成生產(chǎn)工藝種類工藝種類3 CVD3 CVD合成工藝合成工藝 CVD裝置通常由氣源控制部件氣源控制部件、沉積反應(yīng)室沉積反應(yīng)室、沉積溫沉積溫控部件控部件、真空排氣真空排氣和壓強(qiáng)控制部件壓強(qiáng)控制部件等部分組成。 任何CVD系統(tǒng)均包含一個(gè)反應(yīng)器一個(gè)反應(yīng)器、一組氣體傳輸系統(tǒng)一組氣體傳輸系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)排氣系統(tǒng)及工藝控制系統(tǒng)工藝控制系統(tǒng)等。 大體上可以把不同的沉積反應(yīng)裝置粗分為常壓化學(xué)氣相沉積（APC

10、VD）、低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和激光化學(xué)氣相沉積（LCVD）等。第14頁/共49頁第15頁/共49頁16n APCVD是在壓力接近常壓下進(jìn)行CVD反應(yīng)的一種沉積方式。n APCVD的操作壓力接近1atm(101325Pa)，按照氣體分子的平均自由徑來推斷，此時(shí)的氣體分子間碰撞頻率很高，是屬于均勻成核的“氣相反應(yīng)”很容易發(fā)生而產(chǎn)生微粒。1、常壓化學(xué)氣相沉積（、常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD）2、低壓化學(xué)氣相沉積（、低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）n LPCVD是在壓力降低到大約100Torr(1Torr=133.33

11、2Pa)以下的一種CVD反應(yīng)。n 由于低壓下分子平均自由程增加，氣態(tài)反應(yīng)劑與副產(chǎn)品的質(zhì)量傳輸速度加快，從而使形成沉積薄膜材料的反應(yīng)速度加快，同時(shí)氣體分布的不均勻性在很短時(shí)間內(nèi)可以消除，所以能生長(zhǎng)出厚度均勻的薄膜。第15頁/共49頁第16頁/共49頁17n PECVD通過輝光放電形成等離子體，增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)，降低沉積溫度，可以在常溫至350條件下沉積氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅及非晶硅膜等。n 在輝光放電的低溫等離子體內(nèi)，“電子氣”的溫度約比普通氣體分子的平均溫度高10100倍，即當(dāng)反應(yīng)氣體接近環(huán)境溫度時(shí)，電子的能量足以使氣體分子鍵斷裂并導(dǎo)致化學(xué)活性粒子（活化分子、離子、原子等基團(tuán)）的產(chǎn)生，使本來

12、需要在高溫下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)由于反應(yīng)氣體的電激活而在相當(dāng)?shù)偷臏囟认录纯蛇M(jìn)行，也就是反應(yīng)氣體的化學(xué)鍵在低溫下就可以被打開。所產(chǎn)生的活化分子、原子集團(tuán)之間的相互反應(yīng)最終沉積生成薄膜。3、等離子化學(xué)氣相沉積（、等離子化學(xué)氣相沉積（PECVD）第16頁/共49頁第17頁/共49頁18n MOCVD是一種利用低溫下易分解和揮發(fā)的金屬有機(jī)化合物作為源物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積的方法，主要用于化合物半導(dǎo)體氣相生長(zhǎng)方面。n 在MOCVD過程中，金屬有機(jī)源（MO源）可以在熱解或光解作用下，在較低溫度沉積出相應(yīng)的各種無機(jī)材料，如金屬、氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和化合物半導(dǎo)體材料等的薄膜。4、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積（、有

13、機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積（MOCVD）n LCVD是用激光束的光子能量激發(fā)和促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的薄膜沉積方法。n LCVD過程是激光分子與反應(yīng)氣分子或襯材表面分子相互作用的過程。其機(jī)制分為激光熱解沉積和激光光解沉積兩種。5、激光化學(xué)氣相沉積（、激光化學(xué)氣相沉積（LCVD）第17頁/共49頁第18頁/共49頁193.2 3.2 化學(xué)氣相沉積法合成生產(chǎn)裝置化學(xué)氣相沉積法合成生產(chǎn)裝置n 氣相反應(yīng)室的核心問題是使制得的薄膜盡可能均勻。要求能及時(shí)對(duì)基片表面充分供給氧氣，反應(yīng)生成物還必須能放便取出。n 氣相反應(yīng)器有水平型、垂直型、圓筒型等幾種。1、氣相反應(yīng)室、氣相反應(yīng)室n 常用加熱方法是電阻加熱和感應(yīng)加熱；n 紅外輻

14、射加熱采用聚焦加熱可以進(jìn)一步強(qiáng)化熱效應(yīng)，使基片或托架局部迅速加熱升溫；n 激光加熱是一種非常有特色的加熱方法，其特點(diǎn)是保持在基片上微小局部使溫度迅速升高，通過移動(dòng)光束斑來實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描加熱的目的。2、加熱方法、加熱方法第18頁/共49頁第19頁/共49頁20n 精確控制各種氣體（如原料氣、氧化劑、還原劑、載氣等）的配比以制備優(yōu)質(zhì)薄膜。n 目前使用的監(jiān)控元件主要由質(zhì)量流量計(jì)和針形閥。3、氣體控制系統(tǒng)、氣體控制系統(tǒng)n CVD反應(yīng)氣體大多有毒性或強(qiáng)烈的腐蝕性，因此需要經(jīng)過處理后才可以排放。通常采用冷吸收或通過臨水水洗后，經(jīng)過中和和反應(yīng)后排放處理。n 隨著全球環(huán)境惡化和環(huán)境保護(hù)的要求，排氣處理系統(tǒng)在先進(jìn)

15、CVD設(shè)備中已成為一個(gè)非常重要的組成部分。4、排氣處理系統(tǒng)、排氣處理系統(tǒng)第19頁/共49頁第20頁/共49頁21常壓?jiǎn)尉庋雍投嗑П∧こ练e裝置常壓?jiǎn)尉庋雍投嗑П∧こ练e裝置桶式反應(yīng)器可以用于硅外延生長(zhǎng)，裝置2430片襯底/次臥式反應(yīng)器可以用于硅外延生長(zhǎng)，裝置34片襯底 立式反應(yīng)器可以用于硅外延生長(zhǎng)，裝置68片襯底/次第20頁/共49頁第21頁/共49頁22熱壁熱壁LCVD裝置裝置采 用 直采 用 直立 插 片立 插 片增 加 了增 加 了硅 片 容硅 片 容量量 第21頁/共49頁第22頁/共49頁23等離子體增強(qiáng)等離子體增強(qiáng)CVD裝置裝置(a)是一種最簡(jiǎn)單的電感耦合產(chǎn)生等離子的PECVD裝置

16、，可以在實(shí)驗(yàn)室中使用 。（b b）是一種平行）是一種平行板結(jié)構(gòu)裝置。襯底板結(jié)構(gòu)裝置。襯底放在具有溫控裝置放在具有溫控裝置的下面平板上，壓的下面平板上，壓強(qiáng) 通 常 保 持 在強(qiáng) 通 常 保 持 在133Pa133Pa左右，射頻左右，射頻電壓加在上下平行電壓加在上下平行板之間，于是在上板之間，于是在上下平板間就會(huì)出現(xiàn)下平板間就會(huì)出現(xiàn)電容耦合式的氣體電容耦合式的氣體放電，并產(chǎn)生等離放電，并產(chǎn)生等離子體子體 (c)是一種擴(kuò)散爐內(nèi)放置若干平行板、由電容式放電產(chǎn)生等等離子體的PECVD裝置。它的設(shè)計(jì)主要是為了配合工廠生產(chǎn)的需要，增加爐產(chǎn)量第22頁/共49頁第23頁/共49頁24MOCVD裝置裝置MOCV

17、DMOCVD設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)主設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)主要有三個(gè)方面：獲得大面要有三個(gè)方面：獲得大面積和高均勻性的薄膜材料積和高均勻性的薄膜材料；盡量減少管道系統(tǒng)的死；盡量減少管道系統(tǒng)的死角和縮短氣體通斷的間隔角和縮短氣體通斷的間隔時(shí)間，以生長(zhǎng)超薄層和超時(shí)間，以生長(zhǎng)超薄層和超晶格結(jié)構(gòu)材料；設(shè)計(jì)成具晶格結(jié)構(gòu)材料；設(shè)計(jì)成具有多用性、靈活性和操作有多用性、靈活性和操作可變性的設(shè)備，以適應(yīng)多可變性的設(shè)備，以適應(yīng)多方面的要求。方面的要求。 第23頁/共49頁第24頁/共49頁25履帶式常壓履帶式常壓CVD裝置裝置襯底硅片放在保襯底硅片放在保持持400400的履帶的履帶上，經(jīng)過氣流下上，經(jīng)過氣流下方 時(shí) 就 被

18、一 層方 時(shí) 就 被 一 層CVDCVD薄膜所覆蓋薄膜所覆蓋。 第24頁/共49頁第25頁/共49頁26模塊式多室模塊式多室CVD裝置裝置桶罐式桶罐式CVD反應(yīng)裝置反應(yīng)裝置對(duì)于硬質(zhì)合金對(duì)于硬質(zhì)合金刀具的表面涂刀具的表面涂層常采用這一層常采用這一類裝置，它的類裝置，它的優(yōu)點(diǎn)是與合金優(yōu)點(diǎn)是與合金刀具襯底的形刀具襯底的形狀關(guān)系不大，狀關(guān)系不大，各類刀具都可各類刀具都可以同時(shí)沉積，以同時(shí)沉積，而且容器很大，而且容器很大，一次就可以裝一次就可以裝上千的數(shù)量。上千的數(shù)量。各個(gè)反應(yīng)器之間相互隔離利用機(jī)器手在低壓或真空中傳遞襯底硅片。因此可以一次連續(xù)完成數(shù)種不同的薄膜沉積工作。第25頁/共49頁第26頁/共4

19、9頁27影響影響CVD制備材料質(zhì)量的因素制備材料質(zhì)量的因素：n 反應(yīng)混合物的供應(yīng)：通過實(shí)驗(yàn)選擇最佳反應(yīng)物分壓及其相對(duì)比例。n 沉積溫度：直接影響反應(yīng)系統(tǒng)的自由能，決定反應(yīng)進(jìn)行的程度和方向，不同沉積溫度對(duì)涂層的顯微結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成有直接的影響。n 襯底材料：涂層能與基體之間有過渡層或基體與涂層線性膨脹系數(shù)差異相對(duì)較小時(shí)，涂層與基體結(jié)合牢固。n 系統(tǒng)內(nèi)總壓和氣體總流速：直接影響輸運(yùn)速率，由此波及生長(zhǎng)層的質(zhì)量。n 反應(yīng)系統(tǒng)裝置的因素：反應(yīng)系統(tǒng)的密封性、反應(yīng)管和氣體管道的材料以及反應(yīng)管的結(jié)構(gòu)形式對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也有不可忽視的影響。n 源材料的純度：材料質(zhì)量又往往與源材料（包括載氣）的純度有關(guān)。 第26頁/共4

20、9頁第27頁/共49頁28 4.1 4.1 CVDCVD法制備薄膜過程描述（四法制備薄膜過程描述（四個(gè)階段）個(gè)階段）（1）反應(yīng)氣體向基片表面擴(kuò)散；（2）反應(yīng)氣體吸附于基片表面；（3）在基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（4）在基片表面產(chǎn)生的氣相副產(chǎn)物脫離表面，向空間擴(kuò)散或被抽氣系統(tǒng)抽走；（5）基片表面留下不揮發(fā)的固相反應(yīng)產(chǎn)物薄膜。第27頁/共49頁第28頁/共49頁29 即可制作金屬薄膜，又可制作多組分合金薄膜即可制作金屬薄膜，又可制作多組分合金薄膜； CVDCVD反應(yīng)可在常壓或低真空進(jìn)行，繞射性能好反應(yīng)可在常壓或低真空進(jìn)行，繞射性能好； 薄膜純度高、致密性好、殘余應(yīng)力小、結(jié)晶良薄膜純度高、致密性好、殘余

21、應(yīng)力小、結(jié)晶良好；好； 薄膜生長(zhǎng)溫度低于材料的熔點(diǎn)；薄膜生長(zhǎng)溫度低于材料的熔點(diǎn)； 薄膜表面平滑；薄膜表面平滑；第28頁/共49頁第29頁/共49頁30 參與沉積的反應(yīng)源和反應(yīng)后的氣體易燃、易爆或有參與沉積的反應(yīng)源和反應(yīng)后的氣體易燃、易爆或有毒，需環(huán)保措施，有時(shí)還有防腐蝕要求；毒，需環(huán)保措施，有時(shí)還有防腐蝕要求； 反應(yīng)溫度還是太高，盡管低于物質(zhì)的熔點(diǎn)；工件溫反應(yīng)溫度還是太高，盡管低于物質(zhì)的熔點(diǎn)；工件溫度高于度高于PVDPVD技術(shù)，應(yīng)用中受到一定限制；技術(shù)，應(yīng)用中受到一定限制； 對(duì)基片進(jìn)行局部表面鍍膜時(shí)很困難，不如對(duì)基片進(jìn)行局部表面鍍膜時(shí)很困難，不如PVDPVD方便方便。 點(diǎn)點(diǎn)第29頁/共49頁第

22、30頁/共49頁31納米金剛石膜普通金剛石膜的一切優(yōu)異性能 表面更光滑摩擦系數(shù)更低導(dǎo)電性更強(qiáng) 場(chǎng)發(fā)射性能更好 電化學(xué)電極光學(xué)涂層耐磨涂層普通金剛石膜應(yīng)用領(lǐng)域場(chǎng)發(fā)射陰極 本研究應(yīng)用背景4.3 PECVD4.3 PECVD法制備納米金剛石法制備納米金剛石薄膜（實(shí)例）薄膜（實(shí)例）第30頁/共49頁第31頁/共49頁32 應(yīng)應(yīng)用用 指標(biāo)要求指標(biāo)要求光學(xué)涂層光學(xué)涂層機(jī)械性能機(jī)械性能強(qiáng)度、硬度大，摩擦系數(shù)小強(qiáng)度、硬度大，摩擦系數(shù)小 材料指標(biāo)材料指標(biāo)有足夠厚度（有足夠厚度（ 5 5 m m），），膜的平均晶粒尺寸膜的平均晶粒尺寸 30nm30nm，表面粗糙度表面粗糙度 30nm30nm 第31頁/共49頁第

23、32頁/共49頁33 過程：過程：原料準(zhǔn)備原料準(zhǔn)備成膜成膜基體預(yù)處理基體預(yù)處理表面活化表面活化形核、生長(zhǎng)形核、生長(zhǎng)第32頁/共49頁第33頁/共49頁34三種預(yù)處理方法的具體工藝參數(shù) 樣品編號(hào)樣品編號(hào) 預(yù)處理方法預(yù)處理方法 金剛石微粉金剛石微粉粒度粒度 研磨時(shí)間研磨時(shí)間 1# 手工研磨手工研磨 1m 至基體均勻變至基體均勻變暗黃為止暗黃為止 2# 超聲波金剛石超聲波金剛石懸液研磨懸液研磨 40m 30min 3# 手工研磨與超手工研磨與超聲波金剛石懸聲波金剛石懸液研磨相結(jié)合液研磨相結(jié)合 手磨：手磨：1m1m超聲：超聲：40m 變暗黃的基體變暗黃的基體20min超聲超聲 第33頁/共49頁第34

24、頁/共49頁35 （a）1 (b) 2 (c) 3 經(jīng)不同方法預(yù)處理的基體上生長(zhǎng)的金剛石薄膜的光學(xué)顯微鏡照片 結(jié)論：結(jié)論：手磨和超聲波研磨相結(jié)合的預(yù)處理方法，對(duì)促進(jìn)基體手磨和超聲波研磨相結(jié)合的預(yù)處理方法，對(duì)促進(jìn)基體表面形核、提高形核密度、減小長(zhǎng)成的晶粒粒度的作用最為顯著表面形核、提高形核密度、減小長(zhǎng)成的晶粒粒度的作用最為顯著。 第34頁/共49頁第35頁/共49頁36第35頁/共49頁第36頁/共49頁37 以以CH4+N2為反應(yīng)氣源制備金剛石膜為反應(yīng)氣源制備金剛石膜 沉積條件沉積條件 樣品號(hào)樣品號(hào) 7#7# 8#8# 9#9# 10#10# 11#11# 12#12# 13#13# CHCH

25、4 4含量含量 3%3% 4%4% 5%5% 6%6% 7%7% 6%6% 6%6% N N2 2流量流量（sccmsccm） 200200 功率（功率（W W） 14001400 壓力壓力(Torr )(Torr ) 40303045基片溫度基片溫度()() 720720 700700 770770 時(shí)間時(shí)間(h)(h) 5 5以以CH4+N2氣源沉積納米金剛石膜試驗(yàn)氣源沉積納米金剛石膜試驗(yàn)方案方案 第36頁/共49頁第37頁/共49頁38 7 8 9 10 11 樣品編號(hào)樣品編號(hào) 7# 8# 9# 7# 8# 9# 10# 11#10# 11# 平均粒度平均粒度(nm) 23.2 25.4

26、 20.7 (nm) 23.2 25.4 20.7 23.9 17.823.9 17.8 表面粗糙表面粗糙度度 (nm) 44.7 41.1 24.2 (nm) 44.7 41.1 24.2 39.8 27.939.8 27.9 第37頁/共49頁第38頁/共49頁399樣的SEM圖（左為表面形貌，右為斷口形貌） 1、納米單晶體納米單晶體團(tuán)聚體異常長(zhǎng)大的晶粒結(jié)構(gòu)2、薄膜厚度在56m之間 第38頁/共49頁第39頁/共49頁40第39頁/共49頁第40頁/共49頁41第40頁/共49頁第41頁/共49頁421 1 化學(xué)氣相沉積方法發(fā)化學(xué)氣相沉積方法發(fā)展簡(jiǎn)史展簡(jiǎn)史2020世紀(jì)世紀(jì)60-60-707

27、0年代用年代用于集成電于集成電路路第41頁/共49頁第42頁/共49頁43氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)：n 一些元素的氫化物及有機(jī)烷基化合物常常是氣態(tài)的或者是易于揮發(fā)的液體或固體，CVD技術(shù)中如果同時(shí)通入氧氣，在反應(yīng)器中發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)就沉積出相應(yīng)于該元素的氧化物薄膜。n 氫還原法是制取高純度金屬膜的好方法，工藝溫度較低，操作簡(jiǎn)單，因此有很大的實(shí)用價(jià)值。0325475422222CSiHOSiOHO 030050042622 322215210CSiHBHOBOHO 045023 622 322()1296CAl CHOAlOHOCO 03006236CW FHWHF 0115012004224CS

28、iClHSiHCl 第42頁/共49頁第43頁/共49頁44n MOCVD是一種利用低溫下易分解和揮發(fā)的金屬有機(jī)化合物作為源物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積的方法，主要用于化合物半導(dǎo)體氣相生長(zhǎng)方面。n 在MOCVD過程中，金屬有機(jī)源（MO源）可以在熱解或光解作用下，在較低溫度沉積出相應(yīng)的各種無機(jī)材料，如金屬、氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和化合物半導(dǎo)體材料等的薄膜。4、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積（、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積（MOCVD）n LCVD是用激光束的光子能量激發(fā)和促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的薄膜沉積方法。n LCVD過程是激光分子與反應(yīng)氣分子或襯材表面分子相互作用的過程。其機(jī)制分為激光熱解沉積和激光光解沉積兩種。5、激

29、光化學(xué)氣相沉積（、激光化學(xué)氣相沉積（LCVD）第43頁/共49頁第44頁/共49頁45MOCVD裝置裝置MOCVDMOCVD設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)主設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)主要有三個(gè)方面：獲得大面要有三個(gè)方面：獲得大面積和高均勻性的薄膜材料積和高均勻性的薄膜材料；盡量減少管道系統(tǒng)的死；盡量減少管道系統(tǒng)的死角和縮短氣體通斷的間隔角和縮短氣體通斷的間隔時(shí)間，以生長(zhǎng)超薄層和超時(shí)間，以生長(zhǎng)超薄層和超晶格結(jié)構(gòu)材料；設(shè)計(jì)成具晶格結(jié)構(gòu)材料；設(shè)計(jì)成具有多用性、靈活性和操作有多用性、靈活性和操作可變性的設(shè)備，以適應(yīng)多可變性的設(shè)備，以適應(yīng)多方面的要求。方面的要求。 第44頁/共49頁第45頁/共49頁46影響影響CVD制備材料質(zhì)量的因素制備材料質(zhì)量的因素：n 反應(yīng)混合物的供應(yīng)：通過實(shí)驗(yàn)選擇最佳反應(yīng)物分壓及其相對(duì)比例。n 沉積溫度：直接影響反應(yīng)系統(tǒng)的自由能，決定反應(yīng)進(jìn)行的程度和方向，不同沉積溫度對(duì)涂層的顯微結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成有直接的影響。n 襯底材料：涂層能與基體之間有過渡層或基體與涂層線性膨脹系數(shù)差異相對(duì)較小時(shí)，涂層與基體結(jié)合牢固。n 系統(tǒng)內(nèi)總壓和氣體總流速：直接影響輸運(yùn)速率，由此波及生長(zhǎng)層的質(zhì)量。n 反應(yīng)系統(tǒng)裝置的因素：反應(yīng)系統(tǒng)的密封性、反應(yīng)管和氣體管道的材料以及反應(yīng)管的結(jié)構(gòu)形式對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也有不可