化學(xué)氣相沉積CVD

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1、化學(xué)氣相沉積1前言化學(xué)氣相沉積CVD(ChemicalVaporDeposition)是利用加熱，等離子體激勵或光輻射等方法，使氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并以原子態(tài)沉積在置于適當(dāng)位置的襯底上，從而形成所需要的固態(tài)薄膜或涂層的過程。一般地說，化學(xué)氣相沉積可以采用加熱的方法獲取活化能，這需要在較高的溫度下進行；也可以采用等離子體激發(fā)或激光輻射等方法獲取活化能，使沉積在較低的溫度下進行。另外，在工藝性質(zhì)上，由于化學(xué)氣相沉積是原子尺度內(nèi)的粒子堆積，因而可以在很寬的范圍內(nèi)控制所制備薄膜的化學(xué)計量比；同時通過控制涂層化學(xué)成分的變化，可以制備梯度功能材料或得到多層涂層。在工藝過程中，化學(xué)氣

2、相沉積常常在開放的非平衡狀態(tài)下進行，根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，利用化學(xué)氣相沉積可以獲得多種晶體結(jié)構(gòu)。在工藝材料上，化學(xué)氣相沉積涵蓋無機、有機金屬及有機化合物，幾乎可以制備所有的金屬（包括碳和硅），非金屬及其化合物（碳化物、氮化物、氧化物、金屬間化合物等等）沉積層。另外，由于氣態(tài)原子或分子具有較大的轉(zhuǎn)動動能，可以在深孔、階梯、洼面或其他形狀復(fù)雜的襯底及顆粒材料上進行沉積。為使沉積層達到所需要的性能，對氣相反應(yīng)必須精確控制。正是由于化學(xué)氣相沉積在活化方式、涂層材料、涂層結(jié)構(gòu)方面的多樣性以及涂層純度高工藝簡單容易進行等一系列的特點，化學(xué)氣相沉積成為一種非常靈活、應(yīng)用極為廣泛的工藝方法，可以用來制

3、備各種涂層、粉末、纖維和成型元器件。特別在半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)方面，化學(xué)氣相沉積的外延生長顯示出與其他外延方法（如分子束外延、液相外延）無與倫比的優(yōu)越性，即使在化學(xué)性質(zhì)完全不同的襯底上，利用化學(xué)氣相沉積也能產(chǎn)生出晶格常數(shù)與襯底匹配良好的外延薄膜。此外，利用化學(xué)氣相沉積還可生產(chǎn)耐磨、耐蝕、抗氧化、抗沖蝕等功能涂層。在超大規(guī)模集成電路中很多薄膜都是采用CVD方法制備。經(jīng)過CVD處理后，表面處理膜密著性約提高30%，防止高強力鋼的彎曲，拉伸等成形時產(chǎn)生的刮痕。-10-2化學(xué)氣相沉積原理化學(xué)氣相沉積過程分為四個重要階段；反應(yīng)氣體向基體表面擴散，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)

4、物脫離表面，留下的反應(yīng)產(chǎn)物形成覆層。利用化學(xué)氣相沉積制備薄膜材料首先要選定一個或幾個合理的沉積反應(yīng)。根據(jù)化學(xué)氣相沉淀過程的需要，所選擇的化學(xué)反應(yīng)通常應(yīng)該滿足：（1）反應(yīng)物質(zhì)在室溫或不太高的溫度下最好是氣態(tài)，或由很高的蒸氣壓，且有很高的純度；（2）通過沉積反應(yīng)能夠形成所需要的材料沉積層；（3）反應(yīng)易于控制。用于化學(xué)氣相沉淀的化學(xué)反應(yīng)有多種類型，其反應(yīng)原理與特點介紹如下：（1）熱分解反應(yīng)氣態(tài)氫化物、羰基化合物以及金屬有機化合物與高溫襯底表面接觸，化合物高溫分解或熱分解沉積而形成薄膜。例如：SiH4Si+2H2Ni(CO)4Ni+4CO（2）氧化反應(yīng)含薄膜元素的化合物與氧氣一同進入反應(yīng)器

5、，形成氧化反應(yīng)在陳地上沉積薄膜。例如：SiH4+O2SiO2+2H2（3）還原反應(yīng)用氫、金屬或基材作還原劑還原氣態(tài)鹵化物，在襯底上沉積形成純金屬膜或多晶硅膜。（4）水解反應(yīng)鹵化物與水作用制備氧化物薄膜或晶須。（5）可逆輸送化學(xué)轉(zhuǎn)化或輸運過程的特征是在同一反映其維持在不同溫度的源區(qū)和沉淀區(qū)的可逆的化學(xué)反應(yīng)平衡狀態(tài)。（6）形成化合物由兩種或兩種以上的氣態(tài)物質(zhì)在加熱的襯底表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而沉積出固態(tài)薄膜，這種方法是化學(xué)氣相沉積中使用最普遍的方法。（7）聚合反應(yīng)-10-利用放電把有機類氣態(tài)單體等離子化，使其產(chǎn)生各類活性種，由這些活性種之間或活性種與單體之間進行加成反應(yīng)，形成聚合物。（1）

6、激發(fā)反應(yīng)利用等離子體、紫外光、激光燈方法，使反應(yīng)氣體在基片上沉積出固態(tài)薄膜的方法。3化學(xué)氣相沉積的類型化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)有多種分類方法，以主要特征進行綜合分類，可分為熱化學(xué)氣相沉積（TCVD）、低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）、等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)、金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等，下面擬就這些方法分別加以介紹。3.1熱化學(xué)氣相沉積（TCVD）熱化學(xué)氣相沉積是指采用襯底表面熱催化方式進行的化學(xué)氣相沉積。該方法沉積溫度較高，一般在800℃~1200℃左右，這樣的高溫使沉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。3.1.1熱化學(xué)氣相沉積裝置熱化學(xué)氣

7、相沉積裝置，它包括相互關(guān)聯(lián)的三個部分：氣相供應(yīng)系統(tǒng)、沉積室或反應(yīng)室以及排氣系統(tǒng)。（1）氣體供應(yīng)系統(tǒng)CVD氣體由反應(yīng)氣體和載氣組成。反應(yīng)氣體既可以以氣態(tài)供給，也可以以液態(tài)或者固態(tài)供給。當(dāng)反應(yīng)氣體為氣態(tài)時，由高壓鋼瓶經(jīng)減壓閥取出，可通過流量計控制流量。當(dāng)反應(yīng)氣體為液態(tài)時，可采用兩種方法使之氣化，一是把液體通入蒸發(fā)容器中，同時使載氣從溫度恒定的液面上通過，這樣液體在相應(yīng)溫度下產(chǎn)生的蒸氣由載氣攜帶進入反應(yīng)室；二是讓載氣通過液體，利用產(chǎn)生的氣泡使液體汽化，繼而將反應(yīng)氣體攜帶出去