化学气相沉积..

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气相沉积的概念

气相沉积的概念

气相沉积的概念

气相沉积(Gas Phase Deposition)是一种常用的薄膜制备技术,它通过在气体相中加入适当的前体物质,利用物质的气相反应来沉积不同材料的薄膜。气相沉积技术包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两种。

化学气相沉积是指利用化学反应使气态前体分子发生解离或化学反应,并在衬底表面上生成固态产物的过程。化学气相沉积可以分为低压化学气相沉积(LPCVD)和大气压化学气相沉积(APCVD)。前者是在真空或低压环境下进行,后者则是在大气压下进行。

低压化学气相沉积主要通过两种方式进行:热解和气相化学反应。在热解法中,高压气体通过加热管,被导入反应室中,然后沉积在衬底上。而在气相化学反应中,通常需要增加催化剂,先生成前体气体,然后进行气相反应,最后在衬底表面上形成固态化合物。在低压化学气相沉积中,可以制备出包括二氧化硅、多晶硅、金刚石、碳化硅等材料的薄膜。

大气压化学气相沉积常用于较简单的沉积过程,例如氧化物的沉积。在该方法中,通常将前体分子溶解在溶剂中,形成液体溶液,然后将衬底浸入溶液中,通过加热使溶液中的前体分子析出并沉积在衬底上。大气压化学气相沉积主要用于制备硅氧薄膜、氮化硅薄膜和锡氧化物薄膜等。

物理气相沉积是通过物理手段将固体物质转变为薄膜。物理气相沉积包括物理气

相淀积(Physical Vapor Deposition, PVD)和分子束外延(Epitaxy, MBE)两种方法。物理气相沉积的主要特点是沉积温度低、沉积速度快,且可以制备出高纯度的薄膜。

物理气相淀积通常包括蒸发法和溅射法两种技术。蒸发法是将沉积材料加热至其蒸汽压以上,然后通过进一步冷凝沉积在衬底表面上。溅射法是将材料制备成靶材,然后用高能粒子轰击靶材,使材料脱离靶材并沉积在衬底上。物理气相沉积主要用于制备金属和合金材料的薄膜。

化学气相沉积法

化学气相沉积法

化学气相沉积法

化学气相沉积法是一种通过热分解气态前驱体在表面上

生长薄膜的方法,常用于制备高质量的薄膜材料,例如硅、氮化硅、氧化铝、钨等。化学气相沉积法是一种简单、易于控制的工艺,具有良好的重复性和均匀性。

化学气相沉积法的基本原理是将气体前驱体输送到基片

表面,在高温下发生化学反应,生成固态物质,最终形成具有所需性质的薄膜。典型的化学气相沉积系统包括前驱体输送、气体反应室和基片加热部分。

在前驱体输送部分,通常将前驱体通过压缩气体输送到

反应室内。前驱体可为有机物或无机物,例如SiH4、NH3、

Al(CH3)3、W(CO)6等。压缩气体可以是惰性气体,如氮、氩

或氢气。在反应室内,前驱体和压缩气体混合形成气态反应物。

在气体反应室中,气态反应物在基片表面沉积,形成固

态薄膜。这一过程通常需要高温条件下进行,以确保气态反应物的分解和沉积。反应室通常用电阻器、辐射加热或激光热源进行加热。

化学气相沉积法的优点主要在于其所制备的薄膜均匀性、易于控制和高品质等,这使得它在半导体工业中得到了广泛的应用。然而,它也存在一些问题,如膜质量受到前驱体纯度、反应物浓度、温度和气体动力学等因素的影响;反应过程中可能会形成副反应产物;反应室内的气压和流量的控制也是一个关键的问题。

化学气相沉积法已成为半导体工业中制备薄膜的重要方

法,其应用领域也在不断扩大。它的发展将有助于推动半导体产业的进一步发展,满足人类对高性能电子产品的需求。

化学气相沉积

化学气相沉积
材料科学与工程学院 现代表面工程技术
基本概念
CVD技术的分类 低压CVD(LPCVD) 常压CVD(APCVD) 亚常压CVD(SACVD) 超高真空CVD(UHCVD) 等离子体增强CVD(PECVD) 高密度等离子体CVD(HDPCVD
快热CVD(RTCVD) 金属有机物CVD(MOCVD)
材料科学与工程学院 现代表面工程技术
CVD反应条件:
必须达到足够的沉积温度。 在沉积温度下,参加反应的各种物质必须有足够的蒸汽压。 参加反应的各种物质必须是气态(也可由液态蒸发或固态升 华成气态),而反应的生成物除了所需的涂层材料为固态外 ,其余也必须为气态。在沉积温度下,沉积物和集体材料本 身的蒸汽压要足够低,这样才能保证在整个反应过程中,反 应生成的固态沉积物很好的和基体表面相结合。
材料科学与工程学院 现代表面工程技术
化学气相沉积工艺及设备
气相反应室 加热系统 CVD装置 气体控制系统 排气系统
材料科学与工程学院
现代表面工程技术
化学气相沉积 电浆辅助化学气相沉积系统
材料科学与工程学院
现代表面工程技术
真空感应化学气相沉积炉
低压化学气相沉积
材料科学与工程学院
现代表面工程技术
化学气相沉积工艺及设备
材料科学与工程学院 现代表面工程技术
化学气相沉积工艺及设备
LCVD 激光化学沉积就是用激光(CO2或准分子)诱导促进 化学气相沉积。激光化学气相沉积的过程是激光分 子与反应气分子或衬材表面分子相互作用的工程。 按激光作用的机制可分为激光热解沉积和激光光解 沉积两种。激光热解沉积用波长长的激光进行,如 CO2 激光、YAG激光、Ar + 激光等,一般激光器能量较 高、激光光解沉积要求光子有大的能量,用短波长 激光,如紫外、超紫外激光进行,如准分子XeCl、 ArF等激光器。

化学气相沉积

化学气相沉积

化学气相沉积的工艺方法
化学气相沉积的工艺方法
化学气相沉积的工艺方法
气缺现象
在LPCVD系统中,因为表面反应速度控制淀积速率, 而表面反应速度又正比于表面上的反应剂浓度,要 想在各个硅片表面上淀积厚度相同的薄膜,就应该 保证各个硅片表面上的反应剂浓度是相同的。 然而对于只有一个入气口的反应室来说,沿气流方向 因反应剂不断消耗,靠近入气口处淀积的膜较厚, 远离入气口处淀积的膜较薄 ,称这种现象为气缺现 象。
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化学气相沉积(CVD)
化学气相沉积(CVD)
化学气相沉积是利用气态物质在固体表面发 生化学反应,生成固态沉积物的过程。化学 气相沉积的过程可以在常压下进行,也可以 在低压下进行。CVD技术是当前获得固态薄 膜的方法之一。与物理气相沉积不同的是: 沉积粒子来源于化合物的气相分解反应。 在相当高的温度下,混合气体与基体的表面 相互作用,使混合气体中的某些成分分解, 并在基体上形成一种金属或化合物的固态薄 膜或镀层。
化学气相沉积的工艺方法
减轻气缺现象影响的方法
(1)由于反应速度随着温度的升高而加快,可通过在水平方向上逐渐提高温度来加 快反应速度,从而提高淀积速率,补偿气缺效应的影响,减小各处淀积厚度 的差别。
(2)采用分布式的气体入口,就是反应剂气体通过一系列气体口注入到反应室中。 需要特殊设计的淀积室来限制气流交叉效应。

化学气相沉积法

化学气相沉积法

时间与速率
要点一
总结词
时间和沉积速率在化学气相沉积过程中具有重要影响,它 们决定了薄膜的厚度和均匀性。
要点二
详细描述
时间和沉积速率决定了化学气相沉积过程中气体分子在反 应器中的停留时间和沉积时间。较长的停留时间和较慢的 沉积速率有利于气体分子充分反应和形成高质量的薄膜。 然而,过长的停留时间和过慢的沉积速率可能导致副反应 或降低沉积速率。因此,选择合适的时间和沉积速率是实 现均匀、高质量薄膜的关键。
气体流量与组成
总结词
气体流量与组成是控制化学气相沉积过程的重要参数,它们影响薄膜的成分和结构。
详细描述
在化学气相沉积过程中,气体的流量与组成直接决定了进入反应器的气体种类和数量。不同的气体流量与组成会 导致不同的化学反应和沉积速率,从而影响薄膜的成分和结构。因此,精确控制气体流量与组成是获得所需性能 薄膜的关键。
03
化学气相沉积法材 料
金属材料
镍基合金
钨基合金
通过化学气相沉积法可以制备出具有 优异耐蚀性和高温性能的镍基合金涂 层,如Ni-Cr、Ni-P等。
通过化学气相沉积法可以制备出具有 高硬度、高熔点和优异耐磨性能的钨 基合金涂层。
钛合金
利用化学气相沉积法可以在钛合金表 面制备出具有高硬度、耐磨和耐腐蚀 性能的涂层,提高钛合金的应用范围 。
生物医学领域

化学气相沉积法的操作步骤和原理

化学气相沉积法的操作步骤和原理

化学气相沉积法的操作步骤和原理

化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)是一种常用的材料

制备方法,广泛应用于化学、电子、光学等领域。其操作步骤和原理紧密相连,下面将详细介绍。

一、操作步骤

1. 设备准备:首先需要准备CVD设备,包括反应室、加热系统、供气系统、

真空系统等。对于不同的材料制备需求,设备参数可能会有所不同。

2. 洁净材料:在操作之前,需要确保所使用的基底材料具有良好的表面清洁度。常见的清洗方法包括超声波清洗、溶液浸泡清洗等。

3. 反应气体选择:根据目标材料的要求,选择合适的反应气体。一般情况下,

反应气体由可挥发性的化合物组成,如金属有机化合物、金属卤化物等。

4. 反应过程控制:将基底材料放入反应室中,然后将所选的反应气体引入反应室,同时加热反应室以提供适当的反应温度。控制反应时间和反应气体流量可以调节材料沉积速率和薄膜质量。

5. 撤离反应产物:反应结束后,需要停止供气,并通过真空系统将反应产物撤离。

二、原理解析

化学气相沉积法的原理主要涉及以下几个方面:

1. 反应机理:在CVD反应中,使用的反应气体通过加热反应室中的基底材料,发生分解或氧化还原等化学反应,生成所需的薄膜材料。这些反应可以是气相反应,也可以是在基底表面上发生的表面反应。

2. 热力学条件:CVD反应的进行需要满足一定的热力学条件。通常情况下,

反应温度需要高于材料的沸点或所需反应的活化能。同时,反应气体的流量和压力也需要控制在适当范围内。

3. 传质过程:在反应过程中,反应气体需要通过气相传质和基底表面传质的方

化学气相沉积的分类

化学气相沉积的分类

化学气相沉积的分类

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)是一种重要的化学合成方法,广泛应用于材料科学、纳米技术、能源储存等领域。根据反应条件和沉积机理的不同,CVD可以分为几个不同的分类。

一、热分解CVD(Thermal Decomposition CVD)

热分解CVD是最常见的一种CVD方法,也是最早被研究和应用的方法之一。在热分解CVD中,反应物质通常是一种易于挥发的有机化合物,如金属有机化合物或有机溶液。这些反应物质在高温下分解,释放出金属或非金属的原子或分子,然后在基底表面发生反应,生成所需的沉积物。

二、金属有机CVD(Metal-organic CVD,MOCVD)

金属有机CVD是一种基于金属有机化合物的CVD方法,广泛应用于半导体行业。在MOCVD中,金属有机化合物被分解为金属源和有机源,然后在基底表面发生反应,生成所需的材料。MOCVD可以用于制备各种半导体材料,如GaN、InP等。

三、等离子体增强CVD(Plasma Enhanced CVD,PECVD)

等离子体增强CVD是一种利用等离子体激活反应的CVD方法。在PECVD中,反应物质通过等离子体的作用被激活,从而提高反应速率和沉积速率。等离子体可以通过射频或微波等方式产生。PECVD 广泛应用于薄膜的生长和表面修饰等领域。

四、气体相反应CVD(Gas-phase Reaction CVD)

气体相反应CVD是一种通过气相反应生成沉积物的CVD方法。在气体相反应CVD中,反应物质通常是气体或蒸汽态的化合物,通过在反应室中混合反应,生成所需的沉积物。这种方法适用于制备高纯度、均匀性好的材料。

化学气相沉积

化学气相沉积

微波等离子体法(MWPCVD)
• 用微波放电产生等离子体激活化学反应进 行气相沉积的技术。 • 微波放电无电极,放电气压范围宽,能源自文库 转换率高,能产生高密度等离子体。 • 微波等离子体比射频等离子体气体离子化 高,放电非常稳定,等离子体可以不与器 壁接触,有利于制备高质量薄膜。 • 微波等离子体可在10¯ ³ Pa至大气压的压力范 围内产生。
激光热解机制示意图
大多要求能打断反应气 体分子化学键的足够 能量的光子紫外光
激光光解机制示意图
与常规CVD相 比,LCVD可大 大降低基材的温 度,可在不能 承受高温度基 材上合成薄膜
LCVD装置示意图
与PCVD相比,LCVD可避免高能粒子辐照对薄膜 的损伤,更好的控制薄膜的结构,提高薄膜的纯度
LCVD的应用 LCVD是近年来迅速发展的先进表面沉 积技术,其应用前景广阔。在太阳能电池、 超大规模集成电路、特殊的功能膜及光学 膜、硬膜及超硬膜等方面都有重要的应用。
• 利用直流电等离子体激活化学反应,进行气相沉 积的技术。
1-真空室 2-工作台
3-电源和控
制系统 4-红外测温仪
5-真空计
6-机械泵
DCPCVD装置示意图
射频等离子体法(RFPCVD)
• 利用射频辉光放电产生的等离子体激活化 学反应进行气相沉积的技术。 • 电感耦合和电容耦合是供应射频功率的两 种基本耦合方式。 • 射频传输是通过电路实现的,在放电空间 建立的是纵向电场。 • 射频法可用来沉积绝缘薄膜。

化学气相沉积

化学气相沉积

化学气相沉积的原理
CVD过程
1 2 3 4 5
反应气 体到达 基材表 面
反应气 体被基 材表面 吸附
在基材 表面产 生化学 反应, 形核
生成物 从基材 表面脱 离
生成物 从基材 表面扩 散
化学气相沉积的原理 常 见 的 反 应 类 型
1、热分解反应 2、还原反应 3、化学输送 4、氧化反应 5、加水分解 6、与氨反应 7、合成反应 8、等离子激发反应 9、光激发反应 10、激光激发反应
(3)增加反应室中的气流速度。当气流速度增加的时候,在单位时间内,靠近气体 入口处的淀积速率不变,薄膜淀积所消耗的反应剂绝对数量也就没有改变, 但所消耗的比例降低,更多的反应剂气体能够输运到下游,在各个硅片上所 淀积的薄膜厚度也变得更均匀一些。
LPCVD系统的两个主要缺点是相对低的淀积速率和相对高的工作温度。增加反 应剂分压来提高淀积速率则容易产生气相反应;降低淀积温度则将导致不可
6.超电导技术
化学气相沉积生产的Nb3Sn超导材料是目前绕制高场 强小型磁体的最优良材料。化学气相沉积法生产出来 的其他金属间化合物超导材料还有V3Ga和Nb3Ga等。
化学气相沉积的特点与应用
7.保护涂层 化学气相沉积在保护涂层领域中得到了广泛的应用。 CVD法可以沉积多种元素及其氮化物、氧化物、硼 化物、硅化物和磷化物,在耐磨镀层中,用于金属 切削刀具占主要地位。在切削应用中,镀层的重要 性能包括硬度、化学稳定性、耐磨、减摩、高的热 导以及热稳定性。

化学气相沉积

化学气相沉积

3SiCl4 N 2 4 H 2 SiN 4 12 HCl
850~9000 C
3SiH 4 4 NH 3 SiN 4 12 H 2
7500 C
11
4.2 化学气相沉积原理
化学输运反应:
把所需要沉积的物质作为源物质,使之与适当的气体介质发生反应并形成一
种气态化合物。这种气态化合物经化学迁移或物理载带而输运到与源区温度
第4章
化学气相沉积
1
4.1 化学气相沉积合成方法发展
20世纪50年代
主要用于道具
涂层
20世纪60-70年
代用于集成电

古人类在取暖
或烧烤时在岩
洞壁或岩石上
的黑色碳层
80年代低压
CVD成膜技术
成为研究热潮
近年来PECVD、
LCVD等高速
发展
2
4.2 化学气相沉积原理
一、基本概念
化学气相沉积(CVD):

4.2 化学气相沉积原理
二、化学气相沉积法原理
2、CVD技术的热动力学原理
CVD动力学:
CVD沉积规律:沉积速
率随着温度的上升而

加。但当温度超过某

个范围之后,温度对

积速率的影响将变得

缓且不明显。
以TEOS为反应气体的CVDSiO2沉积

化学气相沉积

化学气相沉积

(1)气体的输运
Hale Waihona Puke Baidu
气体的输运过程对薄膜的沉积速度、薄膜厚度
的均匀性、反应物的利用效率等有重要影响。 气体在CVD系统中有两种宏观流动: 强制对流 外部压力造成的压力梯度使气体从压力 气体温度的不均匀性引起的高温
高向压力低的地方流动
气体的自然对流 气体上升、低温气体下降的流动
气体的强制对流
流动边界层
化学气相沉积(CVD)是一种化学气相生长法。
把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质
气体供给基片,利用加热、等离子体、紫外光以及激
光等能源,借助气相作用或在基板表面的化学反应 (热分解或化学合成)生长形成固态的薄膜。
CVD 法可制备薄膜、粉末、纤维等材 料,用于很多领域,如半导体工业、电子 器件、光子及光电子工业等。
围以及避免了基片变形问题。
化学气相沉积——基本原理
(3)氢化物和金属有机化合物系统
630 675℃ Ga(CH3 )3 + AsH3 GaAs + 3CH4 475℃ Cd(CH3 )2 + H2S CdS + 2CH4
广泛用于制备化合物半导体薄膜。 ( 4 )其它气态络合物、复合物(贵金属、过渡金属沉积)
Gr Gf (生成物) Gf (反应物)
对于化学反应 aA+bB=cC

化学气相沉积技术

化学气相沉积技术

化学气相沉积技术

化学气相沉积技术(Chemical Vapor Deposition,CVD)是一种在气体环境下进行的化学反应过程,通过在固体表面上沉积出一层薄膜或涂层的方法。该技术在材料科学、纳米技术、电子学、光学等领域得到了广泛应用。

一、化学气相沉积技术的基本原理

化学气相沉积技术是利用气相中的化学反应来生成或沉积出所需的薄膜或涂层。通常情况下,该技术需要将一种或多种反应物气体输送到反应室中,然后在固体表面上发生化学反应,最终生成所需的薄膜或涂层。

根据反应条件和反应机理的不同,化学气相沉积技术可以分为几种不同的类型,如下所述:

1. 热化学气相沉积(Thermal CVD):该技术是利用高温下气体分子的热运动来促进化学反应的进行。常见的热化学气相沉积技术包括低压化学气相沉积(LPCVD)和气相外延(Gas Phase Epitaxy,GPE)等。

2. 液相化学气相沉积(Liquid Phase CVD,LPCVD):该技术是将固体表面浸泡于一种含有反应物的溶液中,通过溶液中的化学反应生成所需的沉积物。液相化学气相沉积技术主要用于纳米颗粒的制备。

3. 辅助化学气相沉积(Assisted CVD):该技术是在化学气相沉积的过程中引入外部能量或辅助剂来促进反应的进行。常见的辅助化学气相沉积技术包括等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced CVD,PECVD)和光辅助化学气相沉积(Photo-Assisted CVD)等。

三、化学气相沉积技术的应用领域

化学气相沉积技术在材料科学、纳米技术、电子学、光学等领域有着广泛的应用。下面列举几个常见的应用领域:

化学气相沉积

化学气相沉积

化学气相沉积

化学气相沉积是一种化工技术,该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。

化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物,也可以是III-V、II-IV、IV-VI 族中的二元或多元的元素间化合物,而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。化学气相淀积已成为无机合成化学的一个新领域。

化学气相沉积法不但可以对晶体或者晶体薄膜性能的改善有所帮助,而且也可以生产出很多别的手段无法制备出的一些晶体。

化学气相沉积技术是一种重要的材料制备方式,在对贵金属薄膜和涂层上有着重要的作用,当前我国在航空航天领域仍处于发展期,而化学气相沉积技术的使用还有很大的探索空间,需要我们投入更多的精力进行研究。

化学气相沉积的特点

化学气相沉积的特点

化学气相沉积的特点

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)是一种重要的制备薄膜和纳米材料的方法,其特点主要包括以下几个方面。

化学气相沉积是一种在高温和低压条件下进行的制备方法。在CVD 过程中,通常需要将反应室加热到高温,以提供足够的能量使反应物发生化学反应并形成所需的产物。同时,通过控制反应室的压力,可以调节反应物的传输速率和反应速率,从而实现对沉积过程的控制。

化学气相沉积是一种高效且可扩展的制备方法。由于CVD是在气相中进行的,因此可以在大面积上进行均匀的沉积,从而实现快速、高效的制备。此外,CVD还具有可扩展性,可以通过调节反应物的流量和反应条件来控制沉积速率和膜层厚度,从而满足不同应用的需求。

第三,化学气相沉积具有较高的沉积速率和沉积效率。在CVD过程中,反应物以气态形式进入反应室,并在反应室中发生化学反应,生成固态或液态的产物。由于反应物以气态形式存在,并且具有较高的活性,因此可以在较短的时间内完成沉积过程,从而实现高速的沉积。

化学气相沉积还具有良好的控制性和可重复性。通过调节反应条件,如温度、压力、反应物流量等,可以精确控制沉积过程中的各种参

数,如沉积速率、膜层厚度、组分等。这种可调控性和可重复性使得CVD成为一种非常可靠的制备方法,可以满足不同材料和器件的需求。

化学气相沉积还具有较高的沉积温度范围和广泛的应用领域。由于CVD是在高温下进行的,因此可以实现高温材料的制备,如金属、氮化物、碳化物等。同时,CVD还可以用于制备复杂的结构和纳米材料,如纳米线、纳米颗粒、纳米薄膜等。这些特点使得CVD在微电子、光电子、能源、催化等领域得到广泛应用。

化学气相沉积

化学气相沉积
No. 4
一、化学气相沉积的原理
CVD化学反应中须具备三个挥发性条件: (1)反应产物具有足够高的蒸气压 (2)除了涂层物质之外的其他反应产物必须是挥发性的 (3)沉积物具有足够低的蒸气压
No. 5
பைடு நூலகம்
一、化学气相沉积的原理
化学气相沉积的反应过程
化学反应可在衬底表面或衬底表面 以外的空间进。 (1)反应气体向衬底表面扩散 (2)反应气体被吸附于衬底表面 (3)在表面进行化学反应、表面移 动、成核及膜生长 (4)生成物从表面解吸 (5)生成物在表面扩散
1、热分解 2、还原反应 3 氧化反应 4、歧化反应 5、合成或置换反应 6、化学传输反应
No. 10
一、化学气相沉积的原理
• (1)热分解反应 气态氢化物、羰基化 合物以及金属有机化合物与高温衬底表 面接触,化合物高温分解或热分解沉积 而形成薄膜。

SiH4800℃~1000℃ Si+2H2
No. 11
No. 15
二、化学气相沉积的工艺方法
以沉积TiC 为例,CVD 法沉积TiC 的装置示 意于图
No. 16
二、化学气相沉积的工艺方法
其中,工件11置于氢气保护下,加热到1000~1050℃, 然后以氢气10作载流气体把TiCl47和CH4气1带入炉内反 应室2中,使TiCl4中的钛与CH4中的碳(以及钢件表面的 碳)化合,形成碳化钛。反应的副产物则被气流带出室 外。 其沉积反应如下:

化学气相沉积原理

化学气相沉积原理

化学气相沉积原理

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)是一种常

用的材料制备技术,其原理是通过将气体反应物置于高温环境下,使其在表面反应生成固态材料。CVD的过程涉及到气体

扩散、表面反应和固态生长等多个步骤。

在CVD中,首先将所需的气体反应物通过气流输送至反应室中,然后将反应室加热到目标温度。在反应室内,反应物的分子与载气中的粒子发生碰撞,导致反应物分子的分解或活化。这些反应物活化的分子会选择性地吸附在基底表面,形成化学键以及化学吸附物。接着,这些已吸附的物质会发生进一步反应,形成稳定的凝聚相物质。该物质会在基底表面上逐渐堆积,形成所需的薄膜或涂层。

CVD的反应条件包括反应温度、反应压力和反应时间等。反

应温度是一个关键参数,因为在高温下,反应物分子能够较容易地分解活化,并在基底表面上扩散和反应。同时,较高的反应温度有助于提高物质的扩散速率,促进薄膜的均匀生长。反应压力也会影响反应物质的扩散速率和反应速率,较高的反应压力有助于增加分子的碰撞频率,从而加快反应速率。然而,过高的压力也可能导致过度的分子碰撞,造成不理想的薄膜形成。反应时间也是一个重要参数,它决定了反应物质与基底的反应程度和薄膜的厚度。

CVD技术可以用于合成各种不同材料的薄膜或涂层,例如金

属薄膜、陶瓷涂层以及半导体材料等。通过调节反应条件和反应物组成,可以实现对薄膜的性质和组成的控制。CVD具有

高生长速率、较高的物质利用率以及较好的薄膜均匀性等优点,因此被广泛应用于微电子、材料科学和表面工程等领域。

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第六章 化学气相沉积
6.1 CVD概述 6.2 CVD工艺原理 6.3 CVD工艺方法 6.4 二氧化硅薄膜的淀积 6.5 氮化硅薄膜淀积 6.6 多晶硅薄膜淀积 6.7 金属及金属化合物薄膜
1பைடு நூலகம்
MSI时代nMOS晶体管的各层膜
氮化硅 顶层
氧化硅
垫氧化层 ILD
Poly n+ n+
以硅外延为例(1 atm,APCVD)
外延硅淀积往往是 在高温下进行,以 确保所有硅原子淀 积时排列整齐,形 成单晶层。为质量 输运控制过程。此 时对温度控制要求 不是很高,但是对 气流要求高。
hG 常数
Ea 值相同
多晶硅生长是在低 温进行,是表面反 应控制,对温度要 求控制精度高。
6.2 CVD工艺原理
金属 氧化硅 场氧化层
p+ n-well
多晶
金属
p+
金属前氧化层 侧墙氧化层
栅氧化层
p- epi layer
p+ silicon substrate
ULSI硅片上的多层金属化
钝化层
ILD-6
压点金属
M-4
ILD-5
ILD-4
M-3 ILD-3 M-2 ILD-2 M-1 Via LI metal n+ p+ n-well Poly gate p+ ILD-1 LI oxide STI n+ p-well n+ p+


1、反应剂气体混合物以合理的流速被输运到沉积区 2、反应剂气体由主气流通过边界层扩散到衬底表面 3、反应剂气体吸附在衬底表面上 4、吸附原子(分子)发生化学反应,生成薄膜基本元素 5、副产物分子离开衬底表面,由衬底外扩散到主气流,排出
6.2 CVD工艺原理
边界层理论

气体速度受到扰动并按抛物线型变化、同时还存在反 应剂浓度梯度的薄层称为边界层(附面层、滞留层)
要的原子数量):
薄膜淀积速率(其中N1表示形成一个单位体积薄膜所需
k s hg Cg F G N1 k s hg N1 k s hg k s hg
结论:
CT Y N1
(1)淀积速率与Cg(反应剂的浓度)或者Y(反应剂的摩尔百 分比)成正比; (2)在Cg或者Y为常数时,薄膜淀积速率将由Ks和hg中较小 的一个决定。
6.1 CVD概述
除了CVD和PVD外,制备薄膜的方法还有:
旋涂Spin-on 镀/电镀 electroless plating/electroplati ng
铜互连是由电镀工艺制作
6.1 CVD概述
化学气相淀积(CVD)

CVD技术特点:


具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性 和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单 等一系列优点 CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各 种薄膜,例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶 硅、氮化硅、金属(钨、钼)等
常压化学气相淀积(APCVD),低压CVD
(LPCVD),等离子体增强淀积(PECVD)等
CVD反应必须满足三个挥发性标准
在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压 除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的
淀积物本身必须具有足够低的蒸气压
6.2 CVD工艺原理
化学气相淀积的基本过程
与热氧化生长稍有 不同的是,没有了 在SiO2中的扩散流 F1:主气流到衬底表面的反应剂流密度
F2:反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度 Cg:反应剂在主气流中的浓度
Cs:反应剂在硅表面处的浓度
6.2 CVD工艺原理
F1 hG (CG C S )
Grove模型
F2 ksCS
其中:hG 是质量输运系数, ks 是表面化学反应系数
6.1 CVD概述
两类主要的淀积方式
1)物理气相淀积 — Physical Vapor Deposition (PVD) 利用某种物理过程实现物质的转移,即将原子或分子转移 到衬底(硅)表面上,并淀积成薄膜的技术。 例如:蒸发 evaporation,溅射sputtering 2)化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition (CVD) 通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过 程。 例如:APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD
6.2 CVD工艺原理
薄膜淀积速率
表面化学反应控制:温度 质量输运速率控制:位置
斜率与激活 能Ea成正比
图6.8 硅膜淀积速率与温度倒数的关系
升高温度可以提高淀积速率 但随着温度的上升,淀积速率对温度的敏感度不断下降; 当温度高过某个值后,淀积速率受质量输运速率控制
6.2 CVD工艺原理
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
芯片中的金属层
6.1 CVD概述
对薄膜的要求
好的台阶覆盖能力 填充高的深宽比间隙的能力
好的厚度均匀性
高纯度和高密度
受控制的化学剂量
高度的结构完整性和低的膜应力
好的电学特性
对衬底材料或下层膜好的黏附性



气体分子的平均自由程远小于反应室的几何尺寸,可以 认为气体为黏滞性流动 由于气体的黏滞性,气体与硅片表面或侧壁存在摩擦力 ,该摩擦力使紧贴硅片表面或者侧壁的气体流速为零 在离硅片表面或者侧壁一定距离处,气体流速过渡到最 大气流Um
6.2 CVD工艺原理
Grove模型
从简单的生长模型出发,用 动力学方法研究化学气相淀 积推导出生长速率的表达式 及其两种极限情况。
6.1 CVD概述
CVD相对于PVD,有什么优点?

跟材料特性相关的性质——结晶性和理想配 比都比较好 薄膜成分和膜厚容易控制

*淀积温度低
*台阶覆盖性好(step coverage)
6.1 CVD概述
化学气相淀积(CVD)
单晶 (外延)、多晶、非晶(无定型)薄膜 半导体、介质、金属薄膜
在稳态,两类粒子流密度应相等,这样得到
F F1 F2
可得:
ks CS CG 1 hG
1
(1)hg>> ks时,Cs趋向Cg,淀积速率受表面化学反应控制
(2)ks >> hg时,Cs趋向0,淀积速率受质量输运速率控制
6.2 CVD工艺原理

Grove模型
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