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。
反应沉积成膜 反应沉积成膜
3、PCVD的特点
成膜温度低
沉积速率高 膜层结合力高
膜层质量好 能进行根据热力学规律难以发生的反应
4、PCVD与CVD装置结构相近， 只是需要增加能产生等离子体 的反应器。用于激发CVD反应 的等离子体有： 直流等离子体 射频等离子体 微波等离子体 脉冲等离子体
直流等离子体法(DCPCVD)
金刚石
5、PCVD的重要应用 • 绝缘薄膜的PCVD沉积
在低温下沉积氮化硅、氧 化硅或硅的氮氧化物一类的绝缘薄膜，对于超大规模集 成芯片（VLSI）的生产是至关重要的。
• 非晶和多晶硅薄膜的PCVD沉积 • 金刚石和类金刚石的PCVD沉积 • 等离子体聚合 等离子体聚合技术正越来越广泛的应
用于开发具有界电特征、导电特性、感光特性、光电转 换功能或储存器开关功能的等离子体聚合膜和一些重要 的有机金属复合材料。
Ⅰ
热化学气相沉积（TCVD）

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。 一般在800~2000℃的高温反应区，利 用电阻加热，高频感应加热和辐射加热的 化学气相沉积。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。 应用于半导体和其他材料。
TCVD装置包括三个 相互关联的部分： 气体供应系统、反 应室及排气系统
• MOCVD可构成复合结构的表面膜，创造出 新的功能材料。 • 与常规CVD相比，MOCVD的特点主要是：
①沉积温度低 ②能沉积单晶、多晶、非晶的多层和超薄膜 ③可大规模低成本制备复杂组分的薄膜和化合物 半导体材料 ④沉积速度慢，仅适宜沉积微米级的表面层
⑤原料的毒性较大
• MOCVD的应用 MOCVD作为气相外延独特的沉积技术， 主要应用于Ⅲ~Ⅴ族及Ⅱ~Ⅵ族半导体化合 物材料的气相外延。除此之外，当衬底不 能承受热CVD所需要的高温时，MOCVD也 用于沉积各种金属、氧化物、硅化物和碳 化物等涂层。
MWPCVD装置示意图
可进一步降低基材温度、原子的扩散能力，减少空位、错位等缺陷
电极不会受到污染，受等离子体的破坏小，薄膜的完整性高 适于制备低熔点和高温下不稳定的化合物薄膜
PCVD的激发方式的工作参数及特性
激发方式 直流等离子 体 射频等离子 体 微波等离子 体
工艺参数
沉积温度/速率500-600℃/ 2-5µ m/h 直流电压/4000V/16-49A•mˉ² 真空1.33×10ˉ²-100Pa 沉积温度/速率300-500℃/ 1-3µ m/h 频率13.56MHz 射频功率500W 磁控管 2450MHz微波
Ⅴ
金属有机化合物化学气相沉(MOCVD)
• MOCVD是利用金属有机化合物热分解反应进行 气相外延生长的方法，即把含有外延材料组分的 金属有机化合物和氢化物（或其他反应气体）作 为原料气体输运到反应室，在一定的温度下进行 外延生长形成薄膜。 • 金属有机化合物可在较低温度下热解或光解，沉 积出金属、氧化物、氮化物、硫化物等，特别是 化合物半导体无机膜（包括单晶体外延膜、多晶 膜和非晶膜）。
Ⅳ
激光(诱导)化学气相沉(LCVD)
LCVD是指利用激光束的光子能量激发和促进化 学反应，实现薄膜沉积的化学气相沉积技术。 按激光作用机制，可分为激光热解沉积和激光光 解沉积两种。 热解机制：光子加热使在衬底上的气体热 解发生沉积 光解机制：靠光子能量直接使气体分解 （单光 子吸收）
要求衬底对激光 吸收系数较高
2、CVD过程 反应气体向基体表面扩散
反应气体吸附于基体表面
在基体表面上产生的气相副产物脱离表面
留下的反应产物形成覆层
3、CVD几种典型化学反应
1）热分解
SiH4 >500℃ Si + 2H2 （在900-1000℃成膜） CH3SiCl3 1400℃ SiC + 3HCl
2）还原
WF6 +3H2 SiCl4 + 2Zn WF6 + 3 Si 2 W + 6HF (氢还原) Si + 2ZnCl2 （金属还原） SiF4 （基体材料还原） W+3 2
SiO2 +2H2 SiO2 + 2Cl2
Al2O3 + 6HCl
3）氧化
SiH4 + O2 SiCl4 + O2
2AlCl3 + 3H2O
4）水解
5）综合 许多镀层的沉积包含上述两种或几种基本反应。 此外，还有等离子体激发、光和激光激发等反应。
4、CVD装置
CVD设备
混合气体中某些成分分解后可以 单独沉积在基体表面形成薄膜， 或混合气体中某些成分分解后与基体 表面相互作用形成化合物， 沉积在基体表面形成薄膜
四、CVD的现状和展望
气相沉积膜附着力强，厚度均匀，质量好， 沉积速率快，选材广，环境污染轻，可以 满足许多现代工业、科学发展提出的新要 求，因而发展相当迅速。它能制备耐磨膜、 润滑膜、耐蚀膜、耐热膜、装饰膜以及磁 性膜、光学膜、超导膜等功能膜，因而在 机械制造工业电子、电器、通讯、航空航 天、原子能、轻工等部门得到广泛的应用。
1、CVD的基本条件
1）足够高的温度：气体与机体表面作用、反应沉积时 需要一定的激活能量，故CVD要在高温下进行。当然， 以等离子体、激光提过激活能量，可降低反应的温度。 2）反应物必须有足够高的蒸气压。 3）除了要得到的固态沉积物外，化学反应的生成物都 必须是气态。 4）沉积物本身的饱和蒸气压应足够低。
LPCVD适于单晶 硅、多晶硅和氮化 硅等超大规模集成 电路的制造 可精确控制膜层 的成分和结构
对设备要求高，须 有精确的压力控制 系统，成本高
LPCVD装置示意图
Ⅲ
等离子体化学气相沉积(PCVD)
1、基本原理 PCVD是将低压气体放电等离子体应用于化 学气相沉积中的技术，它是用辉光放电产生的等 离子体激活气体分子，使化学气相的化学反应在 低的温度下进行，因而也称等离子增强化学气相 沉积（PECVD）。 这是一种高频辉光放电物理过程与化学反应 相结合的技术。
初始气源 CVD装置基本组成
加热反应室
废气处理系统
二、CVD的特点
CVD过程可在高温或中温下进行 CVD过程可在大气压或低于大气压(低压)下进行
镀层的密度和纯度可控制，镀层的化学成分可改变
绕镀性好，适用于在复杂形状零件上沉积薄膜 可形成多种金属、合金、陶瓷和化合物镀层
三、化学气相沉积方法
热化学气相沉积（TCVD） 低压化学气相沉积（LPCVD） 等离子体化学气相沉积（PCVD） 激光（诱导）化学气相沉积（LCVD） 金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）
TCVD系统
典型的TCVD装 置示意图
Ⅱ
低压化学气相沉积（LPCVD）
LPCVD压力范围一般在1Pa~4×10000Pa之 间。由于低压下分子平均自由程增加，因而加快 了气态分子的运输过程，反应物质在工件表面的 扩散系数增大，使薄膜均匀性得到改善。对于表 面扩散动力学控制的外延生长，可增大外延层的 均匀性，这在大面积大规模外延生长中（例如大 规模硅器件工艺中的介质膜外延生长）是必要的。 但对于由质量输送控制的外延生长，上述效应并 不明显。
特点
反应温度低 膜均匀 附差性良好 反应温度低 相同温度比CVD沉 积速度快近2倍 反应气体活化程度 高
沉积膜
TiC
TiC(500℃) TiN(300℃) Si2N4
脉冲等离子 体
沉积温度：室温 激发温度10000K
脉冲半周能耗1800-2700J
沉积温度低 膜厚均匀 附着性良好 膜硬度高、光滑， 纯度不高
2、PCVD的成膜步骤 等离子体产生 等离子体产生
辉光放电的压力较低，加 速了等离子体的质量 输送和扩散
外电场提高能量，利用低压 气体的辉光放电产生等 离子体
等离子体扩散 等离子体扩散
气相物质被激活 气相物质被激活
活体粒子在基体表面发 生化学反应，形成膜 层 利用直流、射频、激光 等手段，激活反应 气体
化学气相沉积
Chemical Vapor Deposition , CVD
主要内容：
CVD的基本原理 CVD的特点 CVD方法 CVD的现状和展望
一、CVD的基本原理
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition ,CVD ） 利用气态物质在一固体表面上进行化学反应，生成 固态沉积物的过程。
化学气相沉积作为一种非常有效的材料表 面改性方法,具有十分广阔的发展应用前景。 随着工业生产要求的不断提高, CVD 的工艺 及设备得到不断改进, 现已获得了更多新的 膜层, 并大大提高了膜层的性能和质量，它 对于提高材料的使用寿命、改善材料的性 能、节省材料的用量等方面起到了重要的 作用,下一步将向着沉积温度更低、有害生 成物更少、规模更大等方向发展。随着各 个应用领域要求的不断提高, 对化学气相沉 积的研究也将进一步深化,CVD 技术的发展 和应用也将跨上一个新的台阶。