化学气相沉积解读
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CVD
这些具有高反应活性的物质很容易被吸附到较低温度的基
体表面上，于是，在较低的温度下发生非平衡的化学反应
沉积生成薄膜，这就大大降低了基体的温度，提高了沉积
速率。
16
3. PECVD装置
普通CVD+高频电源（用于产生等离子体）
用高频产生辉光放电等离子体的卧式反应
主要由反应器（室）、供气系统和加热系统等组成
图8.3.1
Si片PN结构微细加工的CVD装置意示图
6
反应器的类型：
图8.3.2 CVD反应器的类型
7
沉积过程：
① 在主气流区域，反应物从反应器入口到分解区域的质
量输运；
② 气相反应产生膜形成的前驱体和副产物；
③ 成膜前驱体质量输运至生长表面；
④ 成膜前驱体吸附在生长表面；
可有效解决普通CVD基体温度高，沉积速率慢的不足。
1.等离子体
（1）物质的第四态
给物质以能量，即T↗：
固 液 气 电离，离子+自
由电子，等离子体，第四态。
（2）产生
自然界：大气电离层,高温太阳
实验室：气体放电，供给能量,维持；
图8.3.3 物质的四态
15
（3）性质及应用
气体高度电离的状态；
下进行沉积的某些场合，如沉积平面
硅和MOS集成电路的纯化膜。
（2）按照沉积时系统压强的大小分类：
常压CVD（NPCVD），～1atm；
低压CVD（LPCVD），10～100Pa；
LPCVD具有沉积膜均匀性好、台阶覆盖及一致性较好、
针孔较小、膜结构完整性优良、反应气体的利用率高等优
点，不仅用于制备硅外延层，还广泛用于制备各种无定形
化学气相沉积技术
化学气相沉积技术化学气相沉积技术是一种常用的薄膜制备方法，它在材料科学、纳米技术、能源领域等方面有着广泛的应用。
本文将介绍化学气相沉积技术的基本原理、分类以及在不同领域的应用。
一、基本原理化学气相沉积技术是通过在气相条件下使化学反应发生，从而在基底表面上沉积出所需的薄膜材料。
该技术通常包括两个主要步骤，即前驱体的气相传输和沉积过程。
在前驱体的气相传输阶段，前驱体物质通常是一种挥发性的化合物，如金属有机化合物或无机盐等。
这些前驱体物质被加热到一定温度，使其蒸发或分解为气体。
然后，这些气体将通过传输管道输送到基底表面上。
在沉积过程中，前驱体气体与基底表面上的反应活性位点发生反应，形成固态的薄膜材料。
这些反应通常是表面吸附、解离、扩散和再结合等过程的连续发生。
通过控制前驱体的流量、温度、压力等参数，可以实现对沉积薄膜的厚度、成分和晶体结构的调控。
二、分类根据沉积过程中气体流动的方式和方向，化学气相沉积技术可以分为热辐射、热扩散和热对流三种类型。
1. 热辐射沉积（Thermal Radiation Deposition，TRD）：在热辐射沉积中，前驱体物质通过热辐射的方式传输到基底表面。
这种方法适用于高温条件下的沉积过程，可以用于制备高质量的薄膜材料。
2. 热扩散沉积（Thermal Diffusion Deposition，TDD）：在热扩散沉积中，前驱体物质通过热扩散的方式传输到基底表面。
这种方法适用于低温条件下的沉积过程，可以用于制备柔性基底上的薄膜材料。
3. 热对流沉积（Thermal Convection Deposition，TCD）：在热对流沉积中，前驱体物质通过热对流的方式传输到基底表面。
这种方法适用于较高温度和压力条件下的沉积过程，可以用于制备大面积的薄膜材料。
三、应用领域化学气相沉积技术在材料科学、纳米技术和能源领域有着广泛的应用。
以下是几个具体的应用领域：1. 半导体器件制备：化学气相沉积技术可以用于制备半导体材料的薄膜，如硅、氮化硅、氮化铝等，用于制备晶体管、太阳能电池等器件。
1化学气相沉积
负压CVD主要性能说明
1、反应气体流量及输送
准确稳定的把各反应气体送入沉积室，对获得 高质量的涂层是非常重要的。气体流量过去多采用 带针型调节阀门的玻璃转子流量计，而现在随着工 业水平的发展，气体流量又多采用质量流量计，这 种流量计测量的控制精度高，又带计算机接口，很 容易实现自动控制。
2、加热方式及控制
③CVD制备多晶材料膜和非晶材料膜
半导体工业中用作 绝缘介质隔离层的多晶硅沉 积层，以及属于多晶陶瓷的超导材料Nb3Sn等大多 都是CVDCVD法、激光CVD发或热激活 CVD技术制备高熔点化合物纳米粉末。
Si+2ZnCl2 ﹙金属还原﹚
3 、氧化反应：
SiH4+O2 SiCl4+O2 SiO2+2H2 SiO2+2Cl2 Ge﹙s,g﹚+GeI4﹙g﹚
4、歧化反应：
2GeI2﹙g﹚
5、合成或置换反应：
SiCl4﹙g ﹚+CH4
﹙g﹚
SiC﹙g﹚+4HCl﹙g﹚
6、化学传输反应：
(1)Zr的提纯：
CVD装置的加热方式有电阻加热、高频感应加 热、红外和激光加热等，这应根据装置结构、涂层 种类和反应方式进行选择。对大型生产设备多采用 电阻加热方式。
3、沉积室及结构
沉积室有立式和卧式两种形式。设计沉积室时首先考虑沉积 室形式、制造沉积室材料、沉积室有效容积和盛料混气结构。 一个好的沉积室结构在保证产量的同时还应做到：（1）各 组分气体在沉积室内均匀混合。（2）要保证各个基体物件都 能够得到充足的反应气体。（3）生成的附加产物能够迅速离 开基体表面。这样就能使每一个基体和同一个基体各个部分的 涂层厚度和性能均匀一致。
Zr(s)+2I2(g)
化学气相法沉积聚合物
化学气相法沉积聚合物一、化学气相沉积（CVD）原理1. 基本概念- 化学气相沉积是一种通过气态先驱体在高温、等离子体或其他能量源的作用下发生化学反应，在基底表面沉积出固态薄膜的技术。
对于聚合物的化学气相沉积，先驱体通常是含有碳、氢等元素的有机化合物。
- 在CVD过程中，气态先驱体被输送到反应室中，在基底表面或靠近基底的区域发生分解、聚合等反应，从而形成聚合物薄膜。
2. 反应条件- 温度：不同的先驱体和反应体系需要不同的温度条件。
一般来说，较高的温度有助于先驱体的分解和反应的进行，但对于一些对温度敏感的基底或聚合物结构，需要精确控制温度以避免基底的损坏或聚合物的过度分解。
例如，某些有机硅先驱体在300 - 500°C的温度范围内可以有效地沉积硅基聚合物薄膜。
- 压力：反应室中的压力也是一个关键因素。
低压CVD（LPCVD）和常压CVD （APCVD）是常见的两种压力条件。
LPCVD通常在较低的压力（1 - 100 Pa）下进行，能够提供较好的薄膜均匀性和纯度，因为在低压下，气态分子的平均自由程较长，反应产物更容易扩散离开反应区域。
APCVD则在常压（约101.3 kPa）下进行，设备相对简单，但可能会存在薄膜均匀性较差的问题。
- 载气：载气用于将气态先驱体输送到反应室中。
常用的载气有氮气（N₂）、氩气（Ar）等惰性气体。
载气的流速会影响先驱体在反应室中的浓度分布，进而影响聚合物的沉积速率和薄膜质量。
二、聚合物沉积的先驱体1. 有机硅先驱体- 如四甲基硅烷（Si(CH₃)₄）等有机硅化合物是常用的先驱体。
在CVD过程中，四甲基硅烷在高温下会发生分解反应，硅 - 碳键断裂，释放出甲基基团，然后硅原子之间相互连接形成硅基聚合物的骨架结构。
反应式大致为：Si(CH₃)₄→Si + 4CH₃（高温分解），随后硅原子发生聚合反应形成聚合物。
- 有机硅先驱体沉积得到的聚合物具有良好的热稳定性、化学稳定性和电绝缘性等特点，在电子、航空航天等领域有广泛的应用。
气相法沉积
气相法沉积气相法沉积，即化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种以气体化学反应形成固态材料的方法。
它以气体前驱体在高温和低压条件下分解或反应，生成所需的材料，并在基底表面上沉积出薄膜或纳米颗粒。
气相法沉积被广泛应用于各个领域，包括半导体制造、涂层技术、能源存储与转换、纳米材料合成等。
气相法沉积分为热CVD和化学CVD两种主要类型。
热CVD是一种常见的气相法沉积技术。
在热CVD过程中，前驱体气体通入反应室，通过热传导或对流传热的方式使其达到适当的温度，然后在基底表面上发生化学反应形成所需的材料薄膜。
这种沉积方式通常需要高温，可以达到几百到一千摄氏度。
热CVD通常适用于高温稳定的材料，如金属、氧化物、碳化物等。
化学CVD是一种较为复杂的气相沉积技术，它通过在低温热解气体前驱体或在化学反应中引入能量来合成材料。
化学CVD通常需要较低的温度，可以达到几十到几百摄氏度。
这种沉积方式适用于需要较低沉积温度或对材料制备条件较为严格的情况，如硅薄膜、碳纳米管等。
在气相法沉积过程中，前驱体的选择和气氛控制是非常重要的。
前驱体可以是气体、液体或固体，它需要在相应的条件下分解或反应形成所需的材料。
同时，沉积过程中的气氛也会影响沉积物的性质和结构。
常用的气氛包括惰性气体（如氮气、氩气）、还原气氛（如氢气）或氧化气氛（如氧气）。
此外，气相法沉积还需要对反应与扩散的过程进行控制，以获得期望的沉积薄膜。
反应过程包括前驱体分解或反应、生成物的扩散和在基底表面的吸附等。
这些过程的速率和平衡会受到温度、压力和反应气氛的影响。
因此，对沉积条件的精确控制是实现沉积薄膜的均匀性、纯度和结构的关键。
最后，气相法沉积还可以通过调节反应条件和利用辅助技术实现材料薄膜的控制生长。
例如，可以采用过程中的催化剂、助剂或外加电场来调节材料的成分和结构，以获得特定的性能和应用。
总之，气相法沉积是一种重要的材料制备方法，广泛应用于各个领域。
化学气相沉积法cvd
化学气相沉积法cvd1. 什么是化学气相沉积法（CVD）?CVD是chemical vapor deposition的缩写，是一种用于有机薄膜或无机薄膜制造的技术。
它是一种通过将溶剂热散发形成薄膜的过程。
在溶剂中添加了几种原料，其原理是热释放过程中会产生气态原料。
当这些气态化合物沉积（即固化）在共晶材料表面（如金属和绝缘体表面）上，就形成了膜。
2. CVD的工艺流程CVD的工艺流程大体由以下几步组成：（1）预处理：为了提高沉积物的附着性，之前必须进行表面清洁处理，以去除表面杂质或灰尘，在清洁过程中包括清洁、光饰、腐蚀等工艺；（2）CVD反应：使用适当的存在溶解性的原料制成气相，并将其放入加热的真空容器中，使存在的气态原料发生反应，被吸附在真空容器中的易沉积材料上，以形成膜；（3）膜层检测：膜厚测量或影像技术，横断面或芯片的扫描电子显微镜技术或接触角测量等方法；（4）产品评估：分析能够表明膜的界面强度，膜厚，抗划痕性能，耐腐蚀性以及相关介电性质等，为满足不同产品要求，对CVD参数进行适当调整，确保产品达到规定的质量。
3. CVD的优缺点（1）优点：（a）CVD制备的膜可以用于制备多种复合薄膜，可以使用单种原料或多个原料来改变所需的膜功能；（b）CVD可以成功地在某些维持低工作温度、低原料充放温度的薄膜制备中，能够有效地防止薄膜退化及基材损坏；（c）比较适合制备大区域的膜，且制备的膜厚度一致性良好，沉积膜所需时间比较短；除此之外，CVD还有改变膜特性可控性高，维护简单等优点。
（2）缺点：（a）制备多金属复合膜时易出现困难；（b）CVD由多个立体结构构成的微纳米膜在活度调节和温度控制方面难以得到一致的条件；（c）当原料遇到有机结构时，很容易产生氧化，从而减弱了其膜性能；（d）还容易出现沉积反应系统中氧化物及污染阴离子等杂质污染物，影响膜层的清洁性及性能。
4. CVD的应用范围CVD非常适合制备有机薄膜以实现有效阻挡载流子（如氧）和气体（如水蒸气）的分子穿过，保护容器不受环境污染。
气相法沉积
气相法沉积气相法沉积是一种重要的化学气相沉积（CVD）技术，它利用气体在高温高压条件下产生化学反应，形成固态薄膜。
气相法沉积具有高效、快速、成本低等优点，因此广泛应用于半导体、光学、电子、材料等领域。
气相法沉积过程中，首先需要将反应物气体通过进气阀进入反应器中。
反应器内通常在高温高压条件下进行，以满足反应的需要。
此时，反应物气体与反应器内已有的基底表面（或底物）发生化学反应，形成固态薄膜。
最终，可得到具有特定性质的薄膜。
气相法沉积技术主要有以下几种类型：1.化学气相沉积（CVD），即利用气体反应形成薄膜的技术。
2.物理气相沉积（PVD），即使用蒸发、溅射等技术将固态材料转化为气态，并在基板表面上通过凝聚从而形成薄膜。
3.分子束外延（MBE），是一种高真空下的气相沉积技术，利用超高真空下喷射出高能的分子束瞄准样品表面，让该物质分子精确地沉积在目标表面。
4.原子层沉积（ALD），是一种基于气相化学反应的表面修饰技术。
在该技术中, 反应物以单层分子的形式逐层地沉积在表面，从而形成一层厚度非常均匀的薄膜。
上述气相法沉积技术均可以在高温高压下进行，并且能够形成具有不同性质的固态薄膜。
但它们在反应机理、反应条件、反应物等方面存在差异，因此应根据不同的需求选择合适的方法。
值得注意的是，气相法沉积技术在实际应用中也存在一些问题，比如薄膜的质量不稳定、反应设备的维护难度大等。
针对这些问题，目前已有许多研究工作展开，以进一步提高气相法沉积技术的应用价值和性能表现。
总之，气相法沉积技术是一种十分重要的化学气相沉积技术，具有诸多优点，并且在半导体、光学、电子、材料等多个领域得到广泛应用。
虽然该技术存在一些问题，但仍然有很大的发展前景。
化学气相沉积
微尘，使沉积薄膜的
品质受到影响
2、CVD技术的热动力学原理
输送现象：
动量传递
以“雷诺数”作为流体以何种
方式进行流动的评估依据：
Re
d v
流速与流向均
平顺者称为“层
流”；
其中，d为流体流经的管径，ρ为流体的密度，
流动过程中产
生扰动等不均
匀现象的流动
形式，则称为
“湍流”。
21
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
输送现象：
质量传递
反应气体或生成物通过边界层是以扩散的方式来进行的，而使气体分子进
行扩散的驱动力则是来自于气体分子局部的浓度梯度。CVD反应的质量传递用
Fick第一扩散定律描述：
扩散流量 = = −(
22
)
Si 4 HCl
1150~12000 C
10
4.2 化学气相沉积原理
化学合成反应：
由两种或两种以上的反应原料气在沉积反应器中相互作用合成得到所需要的
无机薄膜或其它材料形式的方法。与热分解法比，这种方法的应用更为广泛，
因为可用于热分解沉积的化合物并不很多，而无机材料原则上都可以通过合
适的反应合成得到。
在气体中生成粒子。
3
4.2 化学气相沉积原理
一、基本概念
CVD技术要求：
反应剂在室温或不太高的温度下最好是气态或有较高的蒸气压而易于挥发成
蒸汽的液态或固态物质，且有很高的纯度；
通过沉积反应易于生成所需要的材料沉积物，而其他副产物均易挥发而留在
气相排出或易于分离；
反应易于控制。
化学气相沉积CVD
围以及避免了基片变形问题。
SEIEE
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）
原则上可制备任一种无机薄膜。
SEIEE
化学气相沉积——基本原理
化学输运反应
将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助适当 的气体介质（输运剂）与之反应而形成气态化合物，这种 气态化合物经过化学迁移或物理输运到与源区温度不同的 沉积区，在基片上再通过逆反应使源物质重新分解出来， 这种反应过程称为化学输运反应。
1000 ℃ SiCl 2 H Si 4HCl 4 2
H、Cl、Si三元体系
SEIEE
化学气相沉积——基本原理
CVD的（化学反应）动力学
反应动力学是一个把反应热力学预言变为现实，使反 应实际进行的问题；它是研究化学反应的速度和各种因素 对其影响的科学。 动力学的因素决定了上述过程发生的速度以及他在有限时 间内可进行的程度 CVD 反应动力学分析的基本任务是：通过实验研究薄 膜的生长速率，确定过程速率的控制机制，以便进一步调 整工艺参数，获得高质量、厚度均匀的薄膜。
其自由能变化
ΔGr=cGc-bGb-aGa
Gi Gi0 RT ln ai
SEIEE
化学气相沉积——基本原理
Gr 与反应系统的化学平衡常数K有关
G RT ln K
K Pi (生成物)iBiblioteka 1 n或m j 1 j
化学气相沉积法名词解释
化学气相沉积法名词解释
化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种常用的化学气相沉积技术，用于在固体表面上沉积薄膜或纳米结构材料。
在CVD过程中，化学气体通过化学反应在固体表面上沉积出固体产物，通常在高温和大气压下进行。
CVD通常包括热CVD、等离子体增强CVD、金属有机化学气相沉积等多种形式。
在CVD过程中，通常需要提供一种或多种反应气体，这些气体在反应室中与固体表面发生化学反应，生成沉积物。
反应气体通常是一些有机物、金属有机物或卤化物，可以通过热解或氧化反应来沉积出所需的材料。
CVD技术可以用于生长碳纳米管、石墨烯、金属薄膜、氧化物薄膜等材料。
CVD技术具有许多优点，例如可以在大面积、复杂形状的基板上进行沉积，可以控制沉积薄膜的厚度和成分，并且可以在较低的温度下进行。
同时，CVD也存在一些挑战，例如需要严格控制反应条件、气体流动和温度分布，以确保沉积物的均匀性和质量。
总的来说，化学气相沉积法是一种重要的薄膜和纳米结构材料制备技术，广泛应用于半导体、光电子、纳米材料等领域。
通过
CVD技术，可以制备出具有特定性能和功能的薄膜和纳米结构材料，为现代科学技术的发展提供了重要支持。
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：1. 半导体器件制造：化学气相沉积技术可以用于制备半导体材料的薄膜，如硅、氮化硅等。
这些薄膜可以作为半导体器件的绝缘层、隔离层或介质层。
2. 硬质涂层：化学气相沉积技术可以用于制备硬质涂层，如碳化硅、氮化硼等。
这些硬质涂层具有优异的耐磨损性和高温稳定性，广泛应用于刀具、模具等领域。
化学气相沉积(中文版)PPT教学课件
Hong Xiao, Ph. D.
.
41
PMD制程的发展
尺寸 > 2 mm PMD PSG BPSG 平坦化 回流圓滑
回流圓滑
再流動溫度 1100 。C
2 - 0.35 mm
0.25 mm 0.18 mm
850 - 900 。C
750 。C -
BPSG
PSG
回流圓滑+ CMP
CMP
CMP:化学机械抛光
Hong Xiao, Ph. D. . 42
化学机械抛光
CMP
.
43
CMP(化学机械抛光)平坦化制程
金属
金属
金属
Hong Xiao, Ph. D.
.
44
金属层间介电质层(IMD)
• 金属层间介电质层(IMD)主要起绝缘作用 • 一般为未掺杂的硅玻璃 (USG) 或 FSG • 温度受限于铝金属熔化
.
37
侧壁空间层形成
二氧化硅
多晶硅栅极
二氧化硅侧壁空间层
多晶硅栅极
基片
基片
Hong Xiao, Ph. D.
.
38
金属沉积前的介电质层(PMD)
• PMD:金属沉积前的流平层 • 为降低流平温度，PMD一般为掺杂的氧化物 PSG或BPSG • PSG(掺磷SiO2,即磷硅玻璃)： 可减少硅玻璃 的加热回流温度,可以形成更为平坦的表面. • BPSG (在PSG基础上掺硼形成的硼磷硅玻璃) ：可以进一步减低回流的圆滑温度而磷的浓 度不会过量
• Si(OC2H5)4+O2→SiO2+4C2H4+2H2O
成膜质量好,但如果铝层已沉积,这个温度是不允许的
.
化学气相沉积
三、化学输运反应
140 ~ 240C
一、热解反应
单氨络合物已用于热解制备氮化物。
GaCl 3 NH3 GaN＋3HCl
800~900C
AlCl3 NH3 AlN＋3HCl
800~900C
B3 N3 H6 3BN 3H2
9001100
二、化学合成反应
两种或多种气态反应物在一热衬底上相互反应，这类反应称为化 学合成反应。
化学气相沉积合成实例 1.制备纳米级氧化物、碳化物、氮化物超细粉
A(g) + B(g) → C(s) + D(g)↑
典型的气相合成反应有： 3SiH4(g)+4NH3(g) → Si3N4(s)+12H2(g)↑ 3SiCl4(g)+4NH3(g) → Si3N4(s)+12HCl(g)↑ 2SiH4(g)+C2H4(g) → 2SiC(s)+6H2(g)↑ BCl(g)+3/2H2(g) → B(s)+3HCl(g)↑
~1200C SiCl 4 2H 2 1150 Si ＋4HCl
475 SiH4 2O2 325 SiO2 2H 2O 1250C TiCl4 N2 H 2 1200 2TiN 8HCl
C Al2 (CH3 )6 12O2 450 Al2O3 9H2O
第四章 化学气相沉积讲解
设在生长中的薄膜表面形成了界面层，其厚度为，cg和cs分别为 反应物的原始浓度和其在衬底表面的浓度，则
扩散至衬底表面的反应物的通量为： 衬底表面消耗的反应物通量与Cs成正比
平衡时两个通量相等，得
F1 hg (Cg Cs )
F2 ksCs
F1 F2
Cs
Cg 1 ks
hg
hg为气相质量输运系数，Ks为表面化学反应速率常数
第四章 化学气相沉积----4.2 化学气相沉积
1. 歧化反应
大多数歧化反应，源区只有在高温下才能生成可进行歧化反 应的中间产物，源区的反应器壁也要处于高温下，以避免在 反应器上进行沉积，如生成SiI2中间产物需要1150℃：
Si(s) + 2I2(g) → SiI4 (g) SiI4 (g) + Si(s) → 2SiI2 (g) 衬底区生成硅外延层的歧化反应只需900℃：
第四章 化学气相沉积----4.2 化学气相沉积
3. 热解反应 某些元素的氢化物和金属有机化合物高温下不稳
定，发生分解，产物可沉积为薄膜，反应是不可逆的。 如：
SiH4(g) = Si(s) + 2H2(g) Ni(CO)4(g) = Ni(s) + 4CO(g)
TiI(g) = Ti(s) + 2I 多晶硅沉积的生长温度可低至600℃；单晶硅则需850。 当需要低温工艺时，硅烷可作为理想的硅源来使用。
4. 氧化反应 利用氧气作为氧化剂促进反应：
SiH4(g) + O2 = SiO2(s) + H2O(g) (450℃) Si(C2H5O)4 + 8O2 = SiO2 + 10H2O + 8CO2
（Si(C2H5O)4是正硅酸乙酯 简称TEOS）
化学气相沉积技术
ZnSe
I2
(g
)
T2
ZnI2
(
g)
1 2
Se2
(g
)
ZnSe
I2
(g
)
T1
ZnI2
(g
)
1 2
Se2
(g
)
14
2024/10/15
15
由上述分析，可以归纳出封管法的优点：
⑴. 可降低来自外界的污染 ⑵.不必连续抽气即可保持真空 ⑶.原料转化率高
19
⑵.VS生长机制
该生长机制一般用来解释无催化剂的晶须生长过程。 生长中，反应物蒸气首先经热蒸发、化学分解或气相反应 而产生，然后被载气输运到衬底上方，最终在衬底上沉积 、生长成所需要的材料。
VS的生长过程如下：
Vapor
Nucleus
ⅠⅡ
Ⅲ
图3 VS生长机制示意图
20
VS生长机制的特点：
①.VS机制的雏形是指晶须端部含有一个螺旋位错 ，这个螺旋位错提供了生长的台阶，导致晶须的 一维生长. ②.在VS生长过程中气相过饱和度是晶体生长的关 键因素，并且决定着晶体生长的主要形貌:
5
化学气相沉积技术的发展历程
20世纪50年代 主要用于道具
涂层
古人类在取暖 或烧烤时在岩 洞壁或岩石上
的黑色碳层
20世纪60-70 年代用于集成
电路
近年来PECVD 、LPCVD等高
速发展
80年代低压 CVD成膜技术 成为研究热潮
6
原理：CVD是利用气态物质在固体表面进 行化学反应，生成固态沉积物的过程。
封管法也有其自身的局限性，有如下几点：
cvd 化学气相沉积
cvd 化学气相沉积CVD（化学气相沉积）是一种重要的薄膜制备技术，广泛应用于微电子、材料科学、纳米技术等领域。
本文将介绍CVD的基本原理、应用领域以及未来发展方向。
让我们来了解CVD的基本原理。
化学气相沉积是一种在气相条件下通过化学反应生成固体薄膜的技术。
它的基本原理是在高温下，将气体或液体前体物质引入反应室中，通过化学反应形成气相中间体，然后在衬底上沉积出所需的固体薄膜。
CVD的反应过程主要包括气体输运、吸附、表面反应和膜沉积等步骤。
CVD技术具有许多优点，如制备的薄膜具有高纯度、均匀性好、可控性强等特点。
此外，CVD还可以在复杂的表面形貌上进行薄膜沉积，如纳米颗粒、多孔膜等。
因此，CVD被广泛应用于微电子行业，用于制备晶体管、集成电路、显示器件等。
同时，它也被应用于材料科学领域，用于制备超硬材料、陶瓷薄膜、光学薄膜等。
除了微电子和材料科学领域，CVD还在纳米技术领域得到了广泛应用。
纳米领域的发展对CVD技术提出了更高的要求，例如制备纳米线、纳米颗粒和纳米薄膜等。
由于CVD具有优异的可控性和均匀性，它成为了纳米材料制备的重要工具。
通过调节反应条件和前体物质的选择，可以实现对纳米材料形貌、大小和组成的精确控制。
未来，CVD技术在能源领域和生物医学领域的应用也备受关注。
在能源领域，CVD可以用于制备高效的太阳能电池、燃料电池等器件。
通过优化薄膜的能带结构和界面特性，可以提高能源转换效率。
在生物医学领域，CVD可以用于制备生物传感器、药物传递系统等。
通过在表面修饰功能性薄膜，可以实现对生物分子的高灵敏检测和精确控制。
CVD是一种重要的化学气相沉积技术，广泛应用于微电子、材料科学、纳米技术等领域。
它具有优异的可控性和均匀性，可以制备高纯度、均匀性好的薄膜。
随着纳米技术和能源领域的快速发展，CVD技术在这些领域的应用前景非常广阔。
未来，我们可以期待CVD技术在更多领域的突破和创新。
化学气相沉积名词解释
化学气相沉积名词解释
高等教育中，化学气相沉积是一个比较重要的实验技术。
它需要一定的精密仪器和操作技术，能够在特定储存条件下保存样品，从而一步步进行体外细胞实验和细胞系创建。
首先，根据实验需要，将各种细胞分别放置在不同的容器中，然后在室温下进行扩增手术和准备各种液体，如细胞培养液、抗原池液等。
之后，细胞样品经过培养后，将细胞以游离的方式悬浮在士光管气相层内，利用缓冲法和氧化还原电位调节液进行细胞转染，以获取最终的气相传输细胞。
有了细胞气相沉积，可以让实验变得更容易了，不需要人工观察细胞，而且可以将细胞悬浮在不受影响的气体中，在化学分析实验中，极大地提高了精确度和准确性，这在一定程度上提升了实验的质量，重要的是早期的实验，也可以将一些变换和保护药物，一步步的细胞实验和细胞系的创建，起到非常重要的作用，使得高等教育中的实验更加准确有效。
总之，要想学好高等教育中的化学气相沉积，就必须要掌握一定的精密仪器和操作技术，用正确的方法来进行实验。
只有掌握正确的方法和正确的思路，才能使实验结果准确而稳定，才能发挥最大的效果。
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由上图分析可知： 高温：扩散控制 低温：表面反应控制 反应导致的沉积速率为：
其中 N0 为表面原子密度。 沉积速率随温度的变化规律取决于Ks,D,δ 等随温度的变化情况。 因此，一般而言，化学反应或化学气相沉积的速度将随温度的升 高而加快。 但有时并非如此，化学气相沉积的速率随温度的升高 出现先升高后降低的情况。 这是什么原因呢？
第四章 化学气相沉积
(Chemical vapor deposition)
•
•
4.4 薄膜生长动力学 4.5 化学气相沉积装置
4.4 薄膜生长动力学
在CVD过程中，薄膜生长过程取决于气体与衬底间界面
的相互作用，具体过程如下： 1. 反应气体扩散通过界面 层 2. 气体分子在薄膜或衬底 表面的吸附 3. 原子表面的扩散、反应 和溶入薄膜晶格之中 4. 反应产物扩散离开衬底 表面并通过界面层
此式表明：Si的沉积速度将随着距离的增加呈指数 趋势下降，即反应物将随着距离的增加逐渐贫化。
•
轴向生长速率的均匀性:
•
扩散速度小于气流速度
•
沉积速率随距离的增加呈指数下降! 倾斜基片使薄膜生长的均匀性得以改善 ;
提高气体流速v和装置的尺寸b 调整装置内温度分布，影响扩散系数D的分布
因此，提高沉积均匀性可以采取如下措施：
我们用CVD方法共同的典型式子来说明: 设这一反应正向进行时为放热反应，则
aA( g ) bB( g ) cC (s) dD( g )
ΔH<0, U0<U
上式描述的正向和逆向反应速率如下页图a所示，均随 温度上升而提高。同时，正向反应的激活能低于逆向反应 的激活能。而净反应速率应是正反向反应速率之差，而他 随温度升高时会出现一个最大值。因此温度持续升高将会 导致逆反应速度超过正向的，薄膜的沉积过程变为薄膜的 刻蚀过程。
高温CVD和低温CVD的选用原则
气相过饱和度 平衡组织、更完整 高温 CVD 强调薄膜质量 （单晶、粗晶） 沉积温度 气相过饱和度 非平衡组织、细化 强调低温沉积 低(中)温CVD （微晶、非晶） 沉积温度
•
注意：
1）反应应在扩散层内进行，否则会生成气相均质核，固相 产物会以粉末形态析出； 2）提高温度梯度和浓度梯度，可以提高新相的形核能力； 3）随析出温度提高，析出固相的形态一般按照下图所示序 列变化：
单晶 板状 （外延） 单晶
针状 树枝晶 单晶
柱状晶
微晶非晶Biblioteka 粉末 （均相形核）T
T
4.4.1
高温CVD (high temperature CVD ) ： 将各种化学反应物质通入反应炉体内， 于高 温的热能供应作用下，藉由工件表面形成镀膜。 分类：热壁式和冷壁式
加热方式：射频加热或辐射加热
样品放置：倾斜或平置
a — 热壁式（课本 P108 图4.1） 反应室被整体加热
b — 冷壁式（课本 P146 图4.23） 只加热样品台和基片（电加热 或 感应加热 常用）
CVD 装 置 的 分 类
运、污染较大 常压 CVD ：无需真空、靠载气输 按工作压力不同，可分 为 载气、污染小 低压 CVD ：易于气化反应物、无 ℃） 低温 CVD （200 ~ 500 按沉积温度不同，可分 为 中温 CVD （500 ~ 1000 ℃） 高温 CVD （1000~ 1300 ℃） 热壁 CVD ：整炉高温、等温环境 按加热方式不同，可分 为 基片架） 冷壁 CVD ：局部加热（仅基片和 热激活（普通CVD ） 可分为 光致活化 CVD （紫外光、激光、可见 光） 按反应激活方式不同， 等离子体激活（ P ECVD）
• • •
4.4.2 温度对沉积速度的影响
•
温度是化学气相沉积过程中最重要的参数之一。
温度对气相质量输运系数和反应率常数作用不同
由上式得 ： 当 Ks 》D/δ 时，Cs = 0 ，反应物的扩散过程较 慢，在衬底上方反应物已经贫化，称为扩散控制的 沉积过程。 • 当 Ks 《 D/δ 时， Cs = Cg ，表面反应较慢， 因此称为表面反应控制的沉积过程。
生长速度的一致性
反应气体在x方向上流速不变 整体温度恒定 长度足够大
设点(x,y)处的扩散通量矢量为：
宏观传输项
扩散项
其中：v为气体流动的速度矢量 扩散项正比于反应物的浓度梯度
由于在衬底上，c=0,所以只考虑扩散项，这是薄 膜的沉积速度：
其中R为薄膜沉积速度，C0为初始浓度， Msi/ Mg为Si和 反应物分子的相对原子质量，D为扩散系数
4.5
化学气相沉积装置
一 高温和低温CVD装置
二 低压CVD装置
三 等离子辅助CVD装置 四 激光辅助CVD装置
五 金属有机化合物CVD装置
•
CVD装置往往包括以下三个基本组成 部分：
㈠ 反应气体和载气的供给和计量装置；
㈡ 必要的加热和冷却系统； ㈢ 反应产物气体的排出装置。
•
•
•
单晶 多晶 非晶
典型的高温CVD装置示意图
特点：简单经济、稳定高效；腐蚀、污染、耗能；
应用：外延Si薄膜制备、TiN, TiC等超硬涂层等
低温CVD
•
工作温度: ≤700℃ 应用领域：主要用于集成电路、电子器件等对 沉积温度有比较严格限制的绝缘薄膜制备；
• •
•
集成电路中SiN等钝化、扩散阻挡层的制备；
集成电路中的SiO2绝缘层的制备；
4.5.1 高温和低温CVD装置
制备薄膜时两个重要的物理量： 1 气相反应物的过饱和度; 2 沉积温度;
形核率 沉积速率 薄膜沉积过程中 微观结构
单晶 进而决定获得的是 多晶 非晶
制备单晶薄膜的条件：
气相的过饱和度要低，沉积温度高
CVD装置常用的加热方法有如下几种: 电阻加热（a） 射频感应加热(b) 红外灯加热法(c)
正向反应是放热反应:
ΔH + < 0，ΔH −>0 当T持续↑ 反向反应速率＞ 正向反应 薄膜生长速率↓
正向反应是吸热反应: ΔH + > 0，ΔH −<0
T↑ 反向反应速率＜正向反应 薄膜生长速率↑
上述规律对应了描述化学反应平衡常数K的变化 率的霍夫（van’Hoff）方程
图a情况下：温度过高不利于产物的沉积 图b情况下，温度过低不利产物的沉积