薄膜材料与薄膜制备技术分析

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热化学气相沉积
反应室：根据反应系统的开放程度，可分为开放型、封闭型、近间距型。 类型 特点 能连续地供气和排气、反应总是处于非 平衡状态而有利于沉积物的形成，优点 是试样容易装卸，工艺条件易于控制， 工艺重复性好。 把一定量的反应原料和适宜的衬底分别 放在反应管的两端，管内抽成真空后放 入一定量的输送剂然后熔封，可以降低 来自空气或环境气氛的偶然污染，沉积 转化率高，其缺点是反应速度慢，不适 宜进行大批量生产。 兼有封闭型和开放型的某些特点
特点： 膜厚均匀性好， 高的生产效率。
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CVD制模基本特征
影响CVD 薄膜质量的因素
1.温度 ：影响淀积速率、薄膜的结晶状态。 不同的沉积温度，可得到单晶或多晶薄膜。一般希望低温沉积 减小，但不能低于结晶温度（影响原子迁移）。 2.反应气体浓度及比例：沉积速率还受控于反应气体浓度及流速（反应量）反应气 体的压强不宜过大（适中—— 根据化学反应的条件，热力学方程 ）。反应气体压 强过低影响成核密度 成膜速率。 质量较好，应力
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热化学气相沉积
排气系统
排气系统是CVD装置在安全方面最为重要的部分。该系统具有两个主要的 功能：一是反应室除去未反应的气体和副产物，二是提供一条反应物跃过 反应区的通畅路径。其中未反应的气体可能在排气系统中继续反应而形成 固体粒子。由于这些固体粒子的聚集可能阻塞排气系统而导致反应器压力 的突变，进而形成固体粒子的反扩散，影响涂层的生长质量和均匀性，因 此，在排气系统的设计中应充分予以注意。
反应气体向基体表面扩散
化学气相沉 积主要分为 四个重要阶 段
反应气体吸附于基体表面
气相副产物脱离表面
反应气体向基体表面扩散
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CVD制模基Fra Baidu bibliotek原理
基本示意图

反 应 气 体 向 材 料 表 面 扩 散
四个过程

反 应 气 体 吸 附 于 材 料 的 表 面

在 材 料 表 面 发 生 化 学 反 应
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CVD制模基本特征
缺点： 1 ．一般CVD 的温度太高，使基板材料耐不住高温，界面扩散而影响薄膜 质量。 2 ．大多数反应气体和挥发性气体有剧毒、易燃、腐蚀。 3 ．在局部表面沉积困难。 优点： 1 、沉积装置相对简单。
2 、可在低于熔点或分解温度下制备各种高熔点的金属薄膜和碳化物、
氮化物、硅化物薄膜及氧化物薄膜，可实现高温材料的低温生长。 3 、适合在形状复杂表面及孔内镀膜。
气 态 副 产 物 脱 离 材 料 表 面
CVD法原理示意图
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CVD制模基本特征
最主要的是必须要有化学反应，化学反应还需以下三大特点： 反应物质在室温或不太高的温度下最好是气态，或有很高的蒸气压，且 有很高的纯度 通过沉积反应能够形成所需要的材料沉积层
反应易于控制
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CVD制模基本特征
方便制备高梯度差薄膜（材质）
过渡区小（光电，半导体器件）
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CVD制模基本特征
CVD的分类
1 ．按沉积温度分：低温（200~500℃ ） 、中温（500~1000℃ ）、高温 （1000~1300℃） 2 ．按反应压力分：常压CVD（APCVD）、减压CVD（LPCVD） 3 ．按反应器壁温度分：热壁CVD、冷壁CVD 4．按激活方式分：热激活、等离子体激活（电场、微波、ECR 等）、光 激活（紫外光、激光等）
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开放型
封闭型
近间距型
热化学气相沉积
另外根据反应器壁是否加热，可分为热壁反应器和冷壁反应器：
类型
原理
优缺点
热壁反应器
气壁、衬底和反应气体 处在同一温度下，通常 用电阻元件加热，用于 间歇式生产
优点非常精确地控制反 应温度；缺点是沉积不 仅在衬底表面，也在器 壁上和其他元件上发生
冷壁反应器
通常只对衬底加热，器 增强反应气体的输送速 壁温度较低 度
组成部分
气相供应系统 反应室
排气系统
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热化学气相沉积
气相供应系统 由反应气体和载气组成。反应气体既可以以气态供给，也可以以液态或者 固态供给。当反应气体为气态时，由高压钢瓶经减压阀取出，可通过流量 计控制流量。当反应气体为液态时，可采用两种方法使之气化，一是把液 体通入蒸发容器中，同时使载气从温度恒定的液面上通过，这样液体在相 应温度下产生的蒸气由载气携带进入反应室；二是让载气通过液体，利用 产生的气泡使液体汽化，继而将反应气体携带出去。当反应气体以固态形 式供给时，把固体放入蒸发器内，加热使其蒸发或升华，继而送入反应室 中。由于沉积薄膜的性能与气体的混合比例有关，气体的混合比例由相应 的质量流量计和控制阀来决定。
1 、成膜的种类范围广 金属、非金属、合金、半导体、氧化物、单晶、多晶、有机材 料、软质、 超硬
2 、化学反应可控性好，膜质量高
3 、成膜的速度快（与PVD 相比），适合大批量生产，膜的均匀性好（低真 空，膜的绕射性好），可在复杂形状工件上成膜 4 、膜层的致密性好，内应力小，结晶性好（平衡状态成膜） 5 、成膜过程的辐射损伤比较低，有利于制备多层薄膜，改变工作气体，可
传统热CVD法制模
日期：2015.6.19
内容大纲
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CVD制模基本原理
CVD制模基本特征
热化学气相沉积
CVD制模基本原理
化学气相沉积CVD(Chemical Vapor Deposition)是利用加热，等离子体激 励或光辐射等方法，使气态或蒸汽状态的化学物质发生反应并以原子态沉 积在适当位置的衬底上，从而形成所需要的固态薄膜或涂层的过程。
5.以主要特征进行综合分类，可分为热化学气相沉积（TCVD）、低压化 学气相沉积（LPCVD）、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、金属有 机化学气相沉积（MOCVD）等
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CVD制模基本特征
CVD对反应体系的要求
1.
能够形成所需要的材料淀积层或材料层的组合，其它反应产物均易挥 发
2.
反应剂在室温下最好是气态，或在不太高的温度下有相当的蒸气压，
3.基板的影响：材质，膨胀系数
附着性；表面结晶状态
成膜中心、 膜均匀
密度，晶体的结晶取向（CVD 亦可生外延薄膜）；基板位置 （另与气体流速，气体压强有关）
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热化学气相沉积
热化学气相沉积是指采用衬底表面热催化方式进行的化学气相沉积。该方 法沉积温度较高，一般在800℃~1200℃左右，这样的高温使衬底的选择 受到很大限制，但它是化学气相沉积的经典方法：
4 、成膜所需源物质，相对来说较易获得。
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CVD制模基本特征
反应室CVD装置结构：
Ⅰ 卧式开管CVD装置
特点：具有高的生产效率，但沿气流方向存在气体浓度、膜厚分布不均匀性 问题。
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CVD制模基本特征
Ⅱ 立式CVD装置
特点： 膜厚均匀性好。 但不易获得高的生 产效率。
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CVD制模基本特征
Ⅲ 转筒CVD装置
且容易获得高纯品
3.
在沉积温度下，沉积物和衬底的蒸汽压要足够低 淀积装置简单，操作方便．工艺上重复性好，适于批量生产，成本低 廉
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4.
CVD制模基本特征
CVD 反应的分类
a 、热分解反应（单一气源）：气态氢化物、羟基化合物等在炽热基片上 热分解沉积 b、化学合成反应（ 两种或两种以上气源）
c、化学输运反应：是一个可逆反应，由温度来控制反应进行的方向。在 高温区生成气相物质，输运到低温区以后，发生分解生成薄膜。一般用于 物质的提纯。
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热化学气相沉积
加热方式
1、电阻加热 2、高频感应加热 3、红外加热 4、激光加热
视不同反应温度， 选择不同的加热方式，
要领是对基片局部加热
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