第6章CVD化学气相淀积

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气体 Cg
薄膜
F1=hg(Cg-Cs) hg-气相质量输运系数
Cs
F1
F2
F2=ksCs ks-表面化学反应速率常数
Fra Baidu bibliotek
F=F1=F2
图6.4 Grove模型 F-单位时间内通过单位面积的原子或分子数
Cs=
Cg 1+ks/hg
（原子或分子/cm2sec）
F1-主气流到衬底表面的反应剂流密度
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N1-单位体积薄膜所需要的原子数量（原子/cm3）
薄膜淀积速率G=
F1 N1
=
kshg ks+hg
Cg N1
没有使用稀释气体
=
kshg ks+hg
CT N1
Y
使用稀释气体
结论： 图6.5
1.淀积速率与下面两个量中的一个成正比：
①反应剂的浓度Cg；（没有使用稀释气体时适用） ②在气相反应中反应剂的摩尔百分比Y。（使用稀释气体）
气流 泊松流
沿主气流方向 没有速度梯度
存在很大的 存在反应剂 速度梯度 的浓度梯度
流速为抛物
线型变化
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边界层
1.定义：指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。也称为附面层、 滞流层等。
2.厚度δ(x)：从速度为零的硅片表面到气流速度为 0.99Um时的区域厚度。
第六章 化学气相淀积
化学气相淀积定义：
指使一种或数种物质的气体，以某种方式激活后， 在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的 生长技术。其英文原名为 “Chemical Vapour Deposition”，简称为 “CVD”。 本章主要内容： CVD薄膜的动力学模型、常用系 统及制备常用薄膜的工艺。
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总结
Grove模型是一个简化的模型： 忽略了1.反应产物的流速；
2.温度梯度对气相物质输运的影响； 认为 3.反应速度线性依赖于表面浓度。 但成功预测了：
薄膜淀积过程中的两个区域（物质输运速率 限制区域和表面反应控制限制区域），同时也提 供了从淀积速率数据中对hg和ks 值的有效估计。
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2.淀积速率与气流速率的关系 如图6.7 条件：质量输运速率控制 根据菲克第一定律和式6.5推导，得到
hg=Dg/δg
hgL Dg
=
3 Re 2
气流速率﹤1.0L/min，淀积速率与主气流速度Um的 平方根成正比。↑气流速率，可以↑淀积速率。 气流速率持续↑，淀积速率达到一个极大值，与气 流速率无关。 气流速率大到一定程度，淀积速率转受表面化学反 应速率控制，且与温度遵循指数关系。
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6.1 CVD模型
6.1.1 CVD的基本过程 图6.1 1.主要步骤 反应剂气体→反应室内（主气流区） →通过边界层 到达衬底表面（扩散方式） →成为吸附原子→在衬 底表面发生化学反应，淀积成薄膜。 2.满足条件
在淀积温度下，反应剂必须具备足够高蒸汽压。 除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性的。 淀积物具有足够低的蒸汽压。 薄膜淀积所用时间尽量短。 淀积温度足够低 化学反应的气态副产物不能进入薄膜中。 化学反应发生在被加热的衬底表面。
低浓度区域，薄膜生长速率随Cg增加而加快。 2.在Cg或Y为常数时，薄膜淀积速率由hg和ks中较小的一个
决定。 hg﹥﹥ks G=（CTksY）/N1 hg﹤﹤ks G=（CThsgY）/ N1
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淀积速率与几个参数的关系：
1.淀积速率与温度的关系 如图6.6
①低温情况下，表面化学反应速率控制
Re﹤2000，气流为平流型—反应室中沿各表面附近 的气体流速足够慢。
Re﹥2000，为湍流。
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6.1.3 Grove模型
CVD过程主要受两步工艺过程控制： ①气相输运过程；②表面化学反应过程。 Grove模型认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节： ①反应剂在边界层的输运过程； ②反应剂在衬底表面上的化学反应过程。 Grove模型Grove模型的基本原理 图6.4
由
ks= k0e-EA/Kt
淀积速率对温度的变化非常敏感。随温度的升高而成指数
增加。
②高温情况下，质量输运控制
hg依赖于气相参数，如气体流速和气体成份等。
其输运过程通过气相扩散完成。
扩散速度正比于扩散系数Dg及边界层内浓度梯度，
Dg∝T1.5~2.0
淀积速率Dg基本不随温度变化而变化。
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3.形成机制：图6.3所示
定义从气流遇到平板边界时为坐标原点，则有 δ(x)=（μx/ρU）1/2
μ-气体的黏滞系数。ρ-气体的密度
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边界层的平均厚度
δ=
1 L
∫0Lδ(x)dx
2 =3
L(ρμUL)1/2
或
δ= 2L/(3 Re)
其中
Re=ρUL/μ
Re—气体的雷诺数，表示流体运动中惯性效应与黏 滞效应的比。无量纲数。
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6.2 化学气相淀积系统
①气态源或液态源 ②气体输入管道 ③气体流量控制 ④反应室 ⑤基座加热及控制系统 ⑥温度控制及测量系统
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6.2.1 CVD的气体源
1.气态源：已被取代。 2.液态源：更安全（但氯化物除外） 输送方式：冒泡法，加热液态源，液态源直接注
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CVD工艺特点：
（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。 因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制 了缺陷生成; 设备简单，重复性好； （2）薄膜的成分精确可控、配比范围大； （3）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如 蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫 米。且能大量生产； （4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。
F2-反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的的流密度
薄膜淀积过程存在两种极限情况：
①hg﹥﹥ks， Cs趋向于Cg，淀积速率受表面化学反应速率控制。 反应剂数量：主气流输运到硅片表面的﹥表面化学反应所需
要的
② hg﹤﹤ks， Cs趋于0，淀积速率受质量输运速率控制。反应 剂数量：表面化学反应所需要的﹥主气流输运到硅片表面的
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3. CVD的激活能来源：热能、光能、等离子体、激 光等。
6.1.2 边界层理论
紧贴处 气流速度=0 硅片表面附近存在气流
硅片表面 或侧壁
有一定 气流速度=Um 速度受到扰动的薄层 距离处 （主气流速度） 气流速度 反应剂
边界层
气体的黏滞性 存在摩擦力
变化很大
浓度↓
垂直气流方向