化学气相沉积

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化学气相沉积

化学气相沉积
积速率的影响将变得 迟
缓且不明显。
4.2 化学气相沉积原理
CVD反应的进行涉及到能量、动量及质量的传递。反应气体是 借着扩散效应来通过主气流与基片之间的边界层,以便将反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
古人类在取暖 或烧烤时在岩 洞壁或岩石上
的黑色碳层
近年来PECVD 、LCVD等高
速发展
20世纪60-70 年代用于集成
电路
80年代低压 CVD成膜技术 成为研究热潮
2
4.2 化学气相沉积原理
一、基本概念
化学气相沉积(CVD):
14
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反应结构分解:
不同物质状态的边界层对CVD沉积至关重要。所谓边界层,就是流体及物 体表面因流速、浓度、温度差距所形成的中间过渡范围。 (a)反应物已扩散通过界面边界层; (b)反应物吸附在基片的表面; (c)化学沉积反应发生; (d) 部分生成物已扩散通过界面边界层; (e)生成物与反应物进入主气流里,并离开系统 。
流速与流向均 平顺者称为 “层流”;
流动过程中产 生扰动等不均 匀现象的流动 形式,则称为
其中,d为流体流经的管径,ρ为流体的密度,
“湍流”。
ν为流体的流速,μ则为流体的粘度
两种常见的流体流动方式
20
4.2 化学气相沉积原理
假设流体在晶座及 基片表面的流速为 零,则流体及基片 (或晶座)表面将 有一个流速梯度存 在,这个区域便是 边界层。
其中:hc为“对流热传系数”
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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

化学气相沉积

化学气相沉积


临界尺寸之上,晶核长大降低表面自由能 伴随着晶核长大,未达到临界尺寸的晶核逐 渐消失

团簇融合生长成连续薄膜 (合关)
限制因素
假设各步反应按顺序发生,那么最慢的步骤决定 了沉积速率。

反应 传质
表面反应

反应速率在极大程度上受温度影响

反应物在沉积前必须先吸附在基板上 吸附发生后,反应基团可留在原位或迁移到基 板上其他位置。这同样也与温度相关。t and affects step coverage.

按材料种类分: 金属/导体 - W, Al, Cu, 多晶Si 绝缘体 (介电) - Si3N4, SiO2 半导体 - Si, Ge, InP, GaAsP 硅化物 - TiSi2, WSi2 氮化物 - TiN, TaN

特点:


设备简单、灵活性强 适用于形状复杂的工件 涂层致密均匀,密度、纯度、结构、晶粒度 可控 涂层与基体结合强度高

氧化反应

常用氧气 AX(g) + O2(g) ---> AO(s) + [O]X(g) 如在450度下用硅烷和氧气沉积二氧化硅 SiH4(g) + O2(g) ---> SiO2(s) + 2H2(g) 可用于沉积: Al2O3, TiO2, Ta2O5, SnO2, ZnO, . . .
F1 = hG (CG - Cs)=Dab/d(CG – Cs) d(x) ≈(hx/rv)1/2 ≈(xd/Rz)1/2 h:气体粘度;r: 气体密度;v: 气体速度;d:反应室常 数,与反应室尺寸和形状有关;Rz : 雷诺数
沿流动方向变量
考虑流入与流出

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

历史的简短回顾
→古人类取暖或烧烤时熏在岩洞壁或岩石上的黑色碳层 →中国古代炼丹术中的“升炼”(最早的记载) →20世纪50年代,现代CVD技术用于刀具涂层(碳化钨 为基材经CVD氧化铝、碳化钛、氮化钛) →20世纪60、70年代,半导体和集成电路技术、超纯多 晶硅。 →1990年以来我国王季陶,提出激活低压CVD金刚石生 长热力学耦合模型。第一次真正从理论和实验对比上定 量化地证实反自发方向的反应可以通过热力学反应耦合 依靠另一个自发反应提供的能量推动来完成。
化学气相沉积的反应类型 简单热分解和热分解反应沉积
通常ⅢA,ⅣA,ⅤA族的一些低周期元素的氢化物如CH4、 SiH4、GeH4、B2H6、PH3、AsH3等都是气态化合物,而且加 热后易分解出相应的元素。因此很适合用于CVD技术中作 为原料气。其中CH4,SiH4分解后直接沉积出固态的薄 膜,GeH4也可以混合在SiH4中,热分解后直接得Si—Ge 合金膜。例如:
简单热分解和热分解反应沉积
通常金属化合物往往是一些无机盐类.挥发性很低,很 难作为CVD技术的原料气;而有机烷基金属则通常是气体 或易挥发的物质,因此制备金属或金属化合物薄膜时, 常常采用这些有机烷基金属为原料,应地形成了一类金 属有机化学气相沉积(Metal—Organic Chemical Vapor Deposition简称为MOCVD)技术。 其它一些含金属的有机化合物,例如三异丙醇铝 [Al(OC3H7)3] 以及一些β—丙酮酸(或β—二酮)的金属配 合初等不包含C—M键(碳一金属键).并不真正属于金属 有机化合物,而是金属的有机配合物或含金属的有机化 合物。这些化合物也常常具有较大的挥发性,采用这些 原料的CVD技术,有时也被包含在MOCVD技术之中。
CVD的沉积反应室内部结构及工作原理变化最大,常常根 据不同的反应类型和不同的沉积物要求来专门设计。但 大体上还是可以把不同的沉积反应装置粗分为以下一些 类型。

化学气相沉积

化学气相沉积

集成电路芯片工艺化学气相沉积(CVD)化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积是指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。

CVD膜的结构可以是单晶、多晶或非晶态,淀积单晶硅薄膜的CVD过程通常被称为外延。

CVD技术具有淀积温度低、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。

利用CVD方这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SiO:、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等。

一:化学气相沉积方法常用的CVD方法主要有三种:常压化学汽相淀积(APCVD)、低压化学汽相淀积(LPCVIi~)和等离子增强化学汽相淀积(PECVD).APCVD反应器的结构与氧化炉类似,如图1-1所示,该系统中的压强约为一个大气压,因此被称为常压CVD。

气相外延单晶硅所采用的方法就是APCVD。

图1-1APCVD反应器的结构示意图,LPCVD反应器的结构如图1-2所示,石英管采用三温区管状炉加热,气体由一端引入,另一端抽出,半导体晶片垂直插在石英舟上。

由于石英管壁靠近炉管,温度很高,因此也称它为热壁CVD装置,这与利用射频加热的冷壁反应器如卧式外延炉不同.这种反应器的最大特点就是薄膜厚度的均匀性非常好、装片量大,一炉可以加工几百片,但淀积速度较慢.它与APCVD的最大区别是压强由原来的1X10SPa降低到1X102Pa左右。

图1-2LPCVD反应器的结构示意图图1-3平行板型PECVD反应器的结构示意图PECVD是一种能量增强的CVD方法,这是因为在通常CVD系统中热能的基础上又增加了等离子体的能量.图1-3给出了平行板型等离子体增强CVD反应器,反应室由两块平行的金属电极板组成,射频电压施加在上电极上,下电极接地。

射频电压使平板电极之间的气体发生等离子放电。

工作气体由位于下电极附近的进气口进入,并流过放电区。

半导体片放在下电极上,并被加热到100—400;C左右.这种反应器的最大优点是淀积温度低。

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。
05
化学气相沉积法优 缺点
优点
适用性广
涂层性能优良
化学气相沉积法适用于各种材料表面改性 和涂层制备,如金属、陶瓷、玻璃等。
通过控制化学气相沉积的条件,可以制备 出具有高硬度、高耐磨性、高抗氧化性的 涂层。
环保
高效
化学气相沉积法使用的原料在高温下分解 ,不会对环境造成污染。
化学气相沉积法具有较高的沉积速率,可 实现快速涂层制备。
应用领域
半导体产业
用于制造集成电路、微 电子器件和光电子器件
等。
陶瓷工业
制备高性能陶瓷材料, 如氧化铝、氮化硅等。
金属表面处理
在金属表面形成耐磨、 防腐、装饰等功能的涂
层。
其他领域
在航空航天、能源、环 保等领域也有广泛应用

02
化学气相沉积法分 类
热化学气相沉积法
原理
在较高的温度下,使气态的化 学反应剂与固态表面接触,通 过气相反应生成固态沉积物。
缺点
高温要求
化学气相沉积法需要在高温下进行,这可能会对 基材产生热损伤或变形。
操作难度大
化学气相沉积法需要精确控制反应条件,操作难 度较大。
ABCD
设备成本高

化学气相沉积

化学气相沉积

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。
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
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)
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

化学气相沉积法

化学气相沉积法
反应过程中都能在受热基体上进行;基体材料在沉积温度下 的蒸汽压也必须足够低
CVD反应过程的主要步骤
1
2
3
4
反应剂在主气 流中越过边界 层向基体材料
表面扩散
化学反应剂被 吸附在基体材 料的表面并进
行反应
化学反应生成 的固态物质在 基体表面成核,
生长成薄膜
反应后的气相物 质离开基体材料 表面,扩散回边 界层,随运输气
渗对碳于析铜碳等具机有制较:低溶
碳量的金对属于基镍体等,具在高有温较 下高气态溶碳碳源量裂的解金生属成的基碳体, 原 而碳 子子成吸核源在附生裂高于长解温金成产时属石生渗表墨的入面烯,薄碳金进膜原属。
基体内,在降温时再
从其内部析出成核, 最终生长成石墨烯。
CVD法生长石墨烯的(a)渗碳析碳机制 与(b)表面生长机制示意图
体排出反应室
CVD技术在无机合成时的特点
➢ 不改变固体基底的形状,保形性 可利用CVD技术对道具表面 进行涂层处理,也可应用于超大规模集成电路制造工艺中。
➢ 可以得到单一的无机合成物质 作为原料可以制备出更多产品
➢ 可以得到特定形状的游离沉积物器具 制造碳化硅器皿和金刚
石薄膜部件
➢ 可以沉积生成晶体或细分状物质 可以用来生成超微粉体,在特
化学气相沉积(CVD) 气相生长技术
利用气态或蒸汽态的物质在热 固表面上反应形成沉积物的过

体足系够应高满的蒸气
A 压力,要保证
足的能以条适件当的:速 反应原料是气态或易于挥发成蒸气的液体或固态物质,反
B
应易于生成所需要的沉积物,其他反应产物保留在气相中
排除或易于分离
C
率被引入反应 沉积薄膜本身必须具备足够低的蒸汽压,以保证在整个沉积

化学气相沉积CVD

化学气相沉积CVD
离解和离化,从而大大提高了参与反应的物质活性;
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。
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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

5.5.2-化学气相沉淀法

5.5.2-化学气相沉淀法

ZnI2(g)+1/2Se2(g)
二、化学气相沉积的工艺方法
不同的涂层,其工艺方法一般不相同。但他们有一些共性,即每一 个CVD系统都必须具备如下功能: ①将反应气体及其稀释剂通入反应器,并能进行测量和调节; ②能为反应部位提供热量,并通过自动系统将热量反馈至加热源,以控制 涂覆温度。 ③将沉积区域内的副产品气体抽走,并能安全处理。 此外,要得到高质量的CVD膜,CVD工艺必须严格控制好几个主要参量: ①反应器内的温度。 ②进入反应器的气体或蒸气的量与成分。 ③保温时间及气体流速。 ④低压CVD必须控制压强。
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。
三个步骤
3.挥发性物质
在基体上发生 化学反应
1.产生挥发 性物质
2.将挥发性物质 运到沉积区
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
1 、热分解:
SiH4
>500℃
Si + H2
﹙在800—1000℃成膜﹚
CH3SiCl3 1400℃
SiC+3HCl
2 、还原反应:
WF6+3H2 SiCl4+2Zn W+6HF
﹙氢还原﹚
Si+2ZnCl2 ﹙金属还原﹚
3 、氧化反应:
SiH4+O2 SiCl4+O2 SiO2+2H2 SiO2+2Cl2 Ge﹙s,g﹚+GeI4﹙g﹚
特点:反应气体混合物能够连续补充,同时废弃的
反应产物能够不断地排出沉积室,反应总是处于 非平衡状态。

化学气相沉积CVD

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: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

化学气相沉积
定义:把所需要的物质当做源物质。借助于适当气体介质 与之反应而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(用载气)输运到与源区温度不同的淀积区,再发生 逆向反应,使得源物质重新淀积出来,这样的反应过程称为化 学输运反应。上述气体介质叫做输运剂,所形成的气态化合物 叫输运形式。例如:

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

化学气相沉积

化学气相沉积
化学气相沉积
Chemical Vapor Deposition
主要内容
化学气相沉积的基本情况 化学气相沉积的化学反应类型 化学气相沉积方法 文献讲解
化学气相沉积的基本情况-化
学气相沉积定义
“化学气相淀积”是指使一种或数种物质的气体,或 采用液态源,如用氢气这样的载流气体通过液态源冒 泡带着源蒸汽进入反应腔,以某种方式激活后,在衬 底表面发生化学反应.并在衬底上淀积出所需固体薄 膜的生长技术
其它薄膜外延方法:
金属有机物分子束外延 (MOMBE) 脉冲激光分子束外延(PLMBE) 气相外延(VPE)、金属有机物 气相外延(MOVPE) 蒸气悬浮外延(VaporLevitation Expitaxy, VLE) 分子束合金外延(Molecular Beam Allotaxy, MBA) 亚常压CVD(SACVD) 超高真空CVD(UHCVD) 高密度等离子体 CVD(HDPCVD) 快热CVD(RTCVD)
低温大气压CVD
•工作温度:500∼700oC •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;
2
低气压化学气相沉积(LPCVD)
低气压CVD按工作真空度的划分:
–减压CVD(RPCVD):100 torr> P > 1 torr; –LPCVD:1 torr> P > 10 mtorr; –超高真空:∼10-7torr 应用低气压CVD的目的:
•含有化合物半导体元素的原料化合物必须满足的条件: 常温下较稳定且容易处理 反应的副产物不应妨碍晶体生长,不应污染生长层 在室温附近应具有适当的蒸汽压

化学气相沉积

化学气相沉积

一、化学气相沉积的原理
化学气相沉积反应的物质源 1、气态物质源 如H2、N2、CH4、O2、SiH4等。这种物质源对CVD工艺技术最为方 便 ,涂层设备系统比较简单,对获得高质量涂层成分和组织十分有 利。 2、液态物质源 此物质源分两种:(1)该液态物质的蒸汽压在相当高的温度下 也很低,必须加入另一种物质与之反应生成气态物质送入沉积室,才 能参加沉积反应。(2)该液态物质源在室温或稍高一点的温度就能得 到较高的蒸汽压,满足沉积工艺技术的要求。如:TiCl4、CH3CN、 SiCl4、VCl4、BCl3。 3、固态物质源 如:AlCl3、NbCl5、TaCl5、ZrC积室中。因为 固态物质源的蒸汽压对温度十分敏感,对加热温度和载气量的控制精 度十分严格,对涂层设备设计、制造提出了更高的要求。
二、化学气相沉积的工艺方法
T2
ZnSe(s) +I2(g)
T1
ZnI2(g) +1/2 Se2(g)
二、化学气相沉积的工艺方法 • 化学气相沉积主要工艺参数:
一、温度 • 首先,温度影响气体质量运输过程,从而影响薄 膜的形核率,改变薄膜的组织与性能;其次,温度升高 可显著增加界面反应率和新生态固体原子的重排过程, 从而获得更加稳定的结构。
一、化学气相沉积的原理
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 三个步骤 1.产生挥发性物质 2.将挥发性物质运到沉积区 3.挥发性物质在基体上发生 化学反应
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
一、化学气相沉积的原理

化学气相沉积CVD

化学气相沉积CVD

化学气相沉积1 前言化学气相沉积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置于适当位置的衬底上,从而形成所需要的固态薄膜或涂层的过程。

一般地说,化学气相沉积可以采用加热的方法获取活化能,这需要在较高的温度下进行;也可以采用等离子体激发或激光辐射等方法获取活化能,使沉积在较低的温度下进行。

另外,在工艺性质上,由于化学气相沉积是原子尺度内的粒子堆积,因而可以在很宽的范围内控制所制备薄膜的化学计量比;同时通过控制涂层化学成分的变化,可以制备梯度功能材料或得到多层涂层。

在工艺过程中,化学气相沉积常常在开放的非平衡状态下进行,根据耗散结构理论,利用化学气相沉积可以获得多种晶体结构。

在工艺材料上,化学气相沉积涵盖无机、有机金属及有机化合物,几乎可以制备所有的金属(包括碳和硅),非金属及其化合物(碳化物、氮化物、氧化物、金属间化合物等等)沉积层。

另外,由于气态原子或分子具有较大的转动动能,可以在深孔、阶梯、洼面或其他形状复杂的衬底及颗粒材料上进行沉积。

为使沉积层达到所需要的性能,对气相反应必须精确控制。

正是由于化学气相沉积在活化方式、涂层材料、涂层结构方面的多样性以及涂层纯度高工艺简单容易进行等一系列的特点,化学气相沉积成为一种非常灵活、应用极为广泛的工艺方法,可以用来制备各种涂层、粉末、纤维和成型元器件。

特别在半导体材料的生产方面,化学气相沉积的外延生长显示出与其他外延方法(如分子束外延、液相外延)无与伦比的优越性,即使在化学性质完全不同的衬底上,利用化学气相沉积也能产生出晶格常数与衬底匹配良好的外延薄膜。

此外,利用化学气相沉积还可生产耐磨、耐蚀、抗氧化、抗冲蚀等功能涂层。

在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。

经过CVD 处理后,表面处理膜密着性约提高30%,防止高强力钢的弯曲,拉伸等成形时产生的刮痕。

化学气相沉积

化学气相沉积

SiO2 + 2H2
No. 13
一、化学气相沉积的原理
(4)歧化反应
2GeI2﹙g﹚
Ge﹙s,g﹚+GeI4﹙g﹚
(5)合成或置换反应 SiCl4﹙g ﹚+CH4 ﹙g﹚ SiC﹙g﹚+4HCl﹙g﹚
(6)化学传输25反0~应550℃ Zr的提纯:
1300~1400℃
Zr(s)+2I2(g) Zr(s)+2I2(g)
化学气相沉积
Chemical Vapor Deposition
制作:木子雨若
No. 1
化学气相沉积概述
一、化学气相沉积的原理 二、化学气相沉积的工艺方法 三、化学气相沉积的特点与应用 四、 PVD和CVD两种工艺的对比 五、化学气相沉积的新进展
No. 2
一、化学气相沉积的原理
定义:
化学气相沉积(Chemical vapor deposition)简称 CVD技术,是利用加热、等离子体激励或光辐射等方法, 从而形成所需要的固态薄膜或涂层的过程。
从理论上来说,它是很简单的:将两种或两种以上 的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间 发生化学反应,形成一种新的材料,沉积到基体表面上。
No. 3
一、化学气相沉积的原理
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
三个步骤 1.产生挥发性物质 2.将挥发性物质运到沉积区 3.挥发性物质在基体上发生 化学反应
在这些过程中反应最慢的一步 决定了反应的沉积速率。
No. 6
一、化学气相沉积的原理
CVD化学反应原理的微观和宏观解释 1)微观方面:
反应物分子在高温下由于获得较高的能量得到 活化,内部的化学键松弛或断裂,促使新键生成从而形成 新的物质。 (2)宏观方面:

cvd 化学气相沉积

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

化学气相沉积

CVD技术的分类及其特点
卤素运输法
• 氢化物法的特点: • 1、能够在较宽的范围内控制外延生长的参数。 • 2、比氯化法有更大的灵活性。 • 3、生长速度较快、不易发生选择生长的弊端,应用比较广泛。 • 4、难以获得像氯化物法那样高纯度的外延层。
CVD技术的分类及其特点
MOCVD技术
采用金属有机化合物(MO)和氢化物等作为晶体生长的材料,以热分解反应的的方式 在衬底上进行气相外延,生长Ⅲ-Ⅴ族,Ⅱ-Ⅴ族等化合物半导体外延层。 特点:沉积温度低,自污染减少,降低膜的错位密度,可沉积单晶乃至超晶格薄膜。 但金属有机物为剧毒且易燃。
CVD外延根据化学反应过程的不同又可分为氢化物法、氯化物法和 金属有机化学气相沉积(MOCVD)法等。氢化物法和氯化物法所根 据的总的化学反应是基本相同的,而且大都利用了卤化物来运输源, 所以这两种方法统称为卤素输运法。
CVD技术的分类及其特点
卤素运输法
• 氯化物法的特点: • 1、外延的生长速度较慢。 • 2、能够获得高纯度的高质量的外延层。
CVD技术分类及其特点
常压CVD技术
常压CVD技术为最早使用的CVD技术之一,结构简单,容易操作。气 压通常早1mtorr到1torr。
特点:1.中等反应速率 2.均匀性好
3.台阶覆盖度好
4.缺陷浓度低,污染少 5.高产率
CVD技术的分类及其特点
低压CVD技术
采用1.33*102—2*104Pa的压力下进行硅外延生长。 特点:1.气压平均自由程大 2.沉淀膜台阶覆盖性好,膜针孔小,结构完整 3.不掺杂 4.但沉积速率较低
CVD技术的基本原理及特点 CVD技术的分类及其特点
CVD技术的基本原理及特点
CVD技术的含义
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化学气相沉积——基本原理
化学合成反应(两种或两种以上气源)
化学合成反应是指两种或两种以上的气态反应物在热 基片上发生的相互反应。
(1) 最常用的是氢气还原卤化物来制备各种金属或半导 体薄膜;
(2) 选用合适的氢化物、卤化物或金属有机化合物来制 备各种介质薄膜。
化学合成反应法比热分解法的应用范围更加广泛。
CVD法发展历程
1880s,第一次应用于白炽灯,提高灯丝强度; 同时诞生许多专利 接下来50年,发展较慢,主要用于高纯难熔金 属的制备,如Ta、Ti、Zr等 二战末期,发展迅速
1960年,用于半导体工业 1963年,等离子体CVD用于电子工业 1968年,CVD碳化物涂层用于工业应用 1980s, CVD法制备DLC膜 1990s,金属-有机CVD快速发展
T = T1 T2 不能太大;
平衡常数KP接近于1。
化 学 输 运 反 应 判 据 :Gr 0
CVD可以制备单晶、多相或非晶态无机 薄膜,以及金刚石薄膜、高Tc超导薄膜、透 明导电薄膜以及某些敏感功能薄膜。
CVD技术分类: 按淀积温度:低温(200~500℃)、中温 (500 ~1000℃)和高温(1000 ~1300℃)
按反应器内的压力:常压和低压
按反应器壁的温度:热壁和冷壁
按反应激活方式:热激活和冷激活
原则上可制备任一种无机薄膜。
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。
化学气相沉积——基本原理
CVD和PVD
化学气相沉积——基本原理
最常见的几种CVD反应类型有:热分解反应、化学合 成、化学输运反应等。
热分解反应(吸热反应,单一气源)
该方法在简单的单温区炉中,在真空或惰性气体保护 下加热基体至所需温度后,导入反应物气体使之发生热分 解,最后在基体上沉积出固体涂层。
可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。容易进行掺杂。
化学气相沉积——基本原理
①还原或置换反应 SiCl 4 2H 2 100 0℃ Si 4HCl
②氧化或氮化反应
SiH4 B2H6 5O2 40 0℃B2O3 SiO2 5H2O
③水解反应
2AlCl3 3H2O Al2O3 6HCl
通式: AB(g) Q A(s) B(g)
主要问题是源物质的选择(固相产物与薄膜材料相同) 和确定分解温度。
化学气相沉积——基本原理
(1)氢化物 SiH4 700-1000℃ Si + 2H2
H-H键能小,热分解温度低,产物无腐蚀性。
(2)金属有机化合物
2Al(OC3H7 )3 420℃ Al2O3 + 6C3H6 + 3H2O
三异丙氧基铝
M-C键能小于C-C键,广泛用于沉积金属和氧化物薄膜。 金属有机化合物的分解温度非常低,扩大了基片选择范 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 Ga(CH3 )3 + AsH3 630 675℃ GaAs + 3CH4 Cd(CH3 )2 + H2S 475℃ CdS + 2CH4
CVD法实际上很早就有应用,用于材料精制、 装饰涂层、耐氧化涂层、耐腐蚀涂层等。
CVD法一开始用于硅、锗精制上,随后用于适 合外延生长法制作的材料上。
表面保护膜一开始只限于氧化膜、氮化膜等, 之后添加了由Ⅲ、Ⅴ族元素构成的新的氧化膜,最 近还开发了金属膜、硅化物膜等。
以上这些薄膜的 CVD制备法为人们所注意 。 CVD法制备的多晶硅膜在器件上得到广泛应用,这 是CVD法最有效的应用场所。
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) 羰基化合物: Pt(CO)2Cl2 600℃ Pt + 2CO + Cl2
Ni(CO)4 140-240℃ Ni + 4CO 单氨络合物: AlCl3 NH3 800-1000 ℃ AlN + 3HCl
源区
Ge(s) I2 (g) 沉积区 GeI2
Zr(s) I2(g)
源区 ZrI2
沉积区
ZnS(s)

I
2
(
g
) 源区 沉积区
ZnI2

1 2
S2
化学气相沉积——基本原理
设源为A(固态),输运剂为XB(气体化合物,
输运反应通式为: 源区
A XB沉积区 ABX
KP
=
PABX PXB
化学输运反应条件:
本章主要内容பைடு நூலகம்
★ 化学气相沉积的基本原理 ★ 化学气相沉积的特点 ★ CVD方法简介 ★ 低压化学气相沉积(LPCVD) ★ 等离子体化学气相沉积 ★ 其他CVD方法
参考书目: 1、唐伟忠,薄膜材料制备原理、技术及应用(第2版), 冶金工业出版社,2008 2、Hugh O. Pierson,Handbook of Chemical Vapor Deposition, Noyes Publications, 1999
CVD装置的主要部分:反应气体输入部 分、反应激活能源供应部分和气体排出 部分。
化学气相沉积——基本原理
★ 化学气相沉积的基本原理
化学气相沉积的基本原理是以化学反应为基础
化学气相沉积是利用气态物质通过化学反应在基片表 面形成固态薄膜的一种成膜技术。
化学气相沉积(CVD)
——Chemical Vapor Deposition CVD反应是指反应物为气体而生成物之一为固体的化 学反应。 CVD完全不同于物理气相沉积(PVD)
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。
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