《化學(xué)氣相沉積》PPT課件

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1、化學(xué)氣相沉積第4章4.1化學(xué)氣相沉積合成方法發(fā)展古人類在取暖或燒烤時在巖洞壁或巖石上的黑色碳層20世紀50年代主要用于道具涂層80年代低壓CVD成膜技術(shù)成為研究熱潮近年來PECVD、LCVD等高速發(fā)展20世紀60-70年代用于集成電路24.2化學(xué)氣相沉積原理一、基本概念化學(xué)氣相沉積（CVD）：通過化學(xué)反應(yīng)的方式，利用加熱、等離子激勵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)。簡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。從氣相中析出

2、的固體的形態(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。34.2化學(xué)氣相沉積原理一、基本概念CVD技術(shù)要求：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；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；反應(yīng)易于控制。44.2化學(xué)氣相沉積原理一、基本概念CVD技術(shù)特點：沉積反應(yīng)如在氣固界面上發(fā)生，則沉積物將按照原有固態(tài)基底（又稱襯底）的形狀包覆一層薄膜。涂層的化學(xué)成分可以隨氣相組成的改變而改變，從而獲得梯度沉積物或得到混合鍍層。采用某種基底材料，沉積物達到一定厚

3、度以后又容易與基底分離，這樣就可以得到各種特定形狀的游離沉積物器具。CVD技術(shù)中可以沉積生成晶體或細粉狀物質(zhì)（如納米超細粉末）。CVD工藝是在較低壓力和溫度下進行的，不僅用來增密炭基材料，還可增強材料斷裂強度和抗震性能。54.2化學(xué)氣相沉積原理一、基本概念CVD技術(shù)分類：CVD技術(shù)低壓CVD（LPCVD）常壓CVD（APCVD））亞常壓CVD(SACVD)超高真空CVD(UHCVD)等離子體增強CVD(PECVD)高密度等離子體CVD(HDPCVD快熱CVD(RTCVD)金屬有機物CVD(MOCVD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

4、64.2化學(xué)氣相沉積原理一、基本概念常用CVD技術(shù)：沉積方式優(yōu)點缺點APCVD反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單沉積速率快低溫沉積階梯覆蓋能差粒子污染LPCVD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PECVD低溫制程高沉積速率階梯覆蓋性好化學(xué)污染粒子污染7二、化學(xué)氣相沉積法原理1、CVD技術(shù)的反應(yīng)原理4.2化學(xué)氣相沉積原理熱分解反應(yīng)氧化還原反應(yīng)化學(xué)合成反應(yīng)化學(xué)輸運反應(yīng)等離子體增強反應(yīng)其他能源增強反應(yīng)8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。氫化物分解：金屬有機化合物的熱分解：氫化物和金屬

5、有機化合物體系的熱分解其他氣態(tài)絡(luò)合物及復(fù)合物的熱分解4.2化學(xué)氣相沉積原理9氧化還原反應(yīng)：一些元素的氫化物及有機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)中如果同時通入氧氣，在反應(yīng)器中發(fā)生氧化反應(yīng)時就沉積出相應(yīng)于該元素的氧化物薄膜。氫還原法是制取高純度金屬膜的好方法，工藝溫度較低，操作簡單，因此有很大的實用價值。4.2化學(xué)氣相沉積原理10化學(xué)合成反應(yīng)：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，因為可用于熱分解沉積的化合物并不很多，而無機材料原則上都可以通過合適的

6、反應(yīng)合成得到。4.2化學(xué)氣相沉積原理11化學(xué)輸運反應(yīng)：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)（稱為輸運劑）來促進輸運中間氣態(tài)產(chǎn)物的生成。4.2化學(xué)氣相沉積原理12等離子體增強反應(yīng)：在低真空條件下，利用DC、AC、RF、MW或ECR等方法實現(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

7、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，但在等離子體增強反應(yīng)的條件下，只需在350℃左右就可以生成氮化硅。4.2化學(xué)氣相沉積原理13其它能源增強反應(yīng)：采用激光、火焰燃燒法、熱絲法等其它能源也可以實現(xiàn)增強反應(yīng)沉積的目的。4.2化學(xué)氣相沉積原理14二、化學(xué)氣相沉積法原理2、CVD技術(shù)的熱動力學(xué)原理4.2化學(xué)氣相沉積原理CVD反應(yīng)結(jié)構(gòu)分解：不同物質(zhì)狀態(tài)的邊界層對CVD沉積至關(guān)重要。所謂邊界層，就是流體及物體表面因流速、濃度、溫度差距所形成的中間過渡范圍。(a)反應(yīng)物已擴散通過界面邊界層；(b)反應(yīng)物吸附在基片