化学气相沉积技术的应用与研究进展汇总

化学气相沉积技术的应用与研究进展

摘要：本文主要围绕化学气相沉积（cvd）技术进行展开，结合其基本原理与特点，对一些CVD技术进行介绍。同时也对其应用方向进行一定介绍。

关键词：cvd；材料制备；应用

引言

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)技术是近几十年发展起来的主要应用于无机新材料制备的一种技术。[1]CVD是一种以气体为反应物(前驱体),通过气相化学反应在固态物质(衬底)表面生成固态物质沉积的技术。它可以利用气相间的反应, 在不改变基体材料的成分和不削弱基体材料的强度条件下,赋予材料表面一些特殊的性能。

本文论述了化学气相沉积技术的基本原理、特点和最新发展起来的具有广泛应用前景的几种新技术, 同时分析了化学气相沉积技术的发展趋势, 并展望其应用前景。

1 CVD原理

化学气相沉积( CVD, Chemical Vapor Deposition) 是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室, 在衬底表面发生化学反应, 并把固体产物沉积到表面生成薄膜的过程。

图1 CVD法示意图

CVD的化学反应主要可分两种:一是通过一种或几种气体之间的反应来产生沉积，如超纯多晶硅的制备、纳米材料（二氧化钛）的制备等；另一种是通过气相中的一个组分与固态基体（有称衬底）表面之间的反应来沉积形成一层薄膜，如集成电路、碳化硅器皿和金刚石膜部件的制备等。

它包括 4 个主要阶段:

①反应气体向材料表面扩散;

②反应气体吸附于材料的表面;

③在材料表面发生化学反应;

④气态副产物脱离材料表面。

在 CVD 中运用适宜的反应方式, 选择相应的温度、气体组成、浓度、压力等参数就能得到具有特定性质的薄膜。但是薄膜的组成、结构与性能还会受到 CVD 内的输送性质( 包括热、质量及动量输送) 、气流

的性质( 包括运动速度、压力分布、气体加热等) 、基板种类、表面状态、温度分布状态等因素的影响。[2][3][4]

2 CVD技术特点

①在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物

质沉积在基体上。

②可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好)。

③采用等离子和激光辅助技术可以显

著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。

④涂层的化学成分可以随气相组成的

改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。

⑤可以控制涂层的密度和涂层纯度。

⑥绕镀件好。可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂形状的工件。由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。

⑦沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。

⑧可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。[5][6][7][8]

3 几种新型化学气相沉积技术

3.1 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）

等离子体是在低真空条件下，利用直流电压、交流电压、射频、微波或电子回旋共振等方法实现气体辉光放电在沉积反应器

中形成的。由于等离子体中正离子、电子和中性反应分子相互碰撞，可以大大降低沉积温度。如氮化硅的沉积，在等离子体增强反应的情况下，反应温度由通常的1100K 降到600K。这样就可以拓宽CVD 技术的应用范围。[9][10]

3.2激光化学气相沉积(LCVD)

LCVD 是利用激光来做为热源，通过激光激活而增强CVD 的一种技术。它类PECVD 技术，但两者之间有重要差别。在等离子体中，电子的能量分布比激光发射的光子的能量分布要宽得多。另外，普通CVD 和PECVD 是热驱动的,通常会使大体积内的反应物预热，能耗很大，还容易导致沉积物受到加热表面的污染。而LCVD 技术是在局部体积内进行，所以减少了能耗和污染问题。如金属钨的沉积，通常这一反应是在300℃左右的衬底表面，而采用激光束平

行于衬底表面，激光束与衬底表面的距离约1mm，结果处于室温的衬底表面就能沉积出一层光亮的钨膜。

图2 LCVD法示意图

LCVD 技术也应用于包括激光光刻、大规模集成电路掩膜的修正、激光蒸发—沉积以及金属化。[11][12]

3.3 金属有机化合物化学气相沉积技术(MOCVD)

MOCVD 是一种利用低温下易分解和挥

发的金属有机化合物作为物质源进行化学

气相沉积的方法, 主要用于化合物半导体

气相生长方面。与传统的 CVD 相比, MOCVD 的沉积温度相对较低, 能沉积超薄层甚至

原子层的特殊结构表面,可在不同的基底表面沉积不同的薄膜。因此, 对于那些不能承受常规 CVD 高温, 而要求采用中低温度的基体( 如钢一类的基体) 有很高的应用价值。

图3 MOCVD法示意图

此外, 用 MOCVD 技术生长的多晶

SiO2是良好的透明导电材料, 用 MOCVD 得到的 TiO2结晶膜也用于了太阳能电池的抗

反射层、水的光电解及光催化等方面。MOCVD 技术最有吸引力的新应用是制备新型高温

超导氧化物陶瓷薄膜。[13][14]

3.4 低压化学气相沉(LPCVD)

图4 LPCVD法示意图

LPCVD 的压力范围一般在 1×

4 10

～4×4

10Pa 之间。由于低压下分子平均自由程增加, 气态反应剂与副产品的质量传

输速度加快, 从而使形成沉积薄膜材料的

反应速度加快。同时, 气体分子分布的不均匀在很短的时间内可以消除, 所以能生长

出厚度均匀的薄膜。此外, 在气体分子运输过程中, 参加化学反应的反应物分子在一

定的温度下吸收了一定的能量, 使这些分

子得以活化而处于激活状态, 这就使参加

化学反应的反应物气体分子间易于发生化

学反应, 也就是说LPCVD 的沉积速率较高。现利用这种方法可以沉积多晶硅、氮化硅、二氧化硅等。[15]

3.5 超真空化学气相沉积(UHVCVD)

在 CVD 的另一个发展方向———高

真空方面, 现已出现了超高真空化学气相

沉积 ( UHVCVD) 法。其生长温度低（425～600 ℃) , 但要求真空度小于

1.33×

8

10 Pa, 系统的设计制造比分子束

外延( MBE) 容易, 其优点是能够实现多片生长, 反应系统的设计制造也不困难。与传统的外延完全不同, 这种技术采用低压和

低温生长, 特别适合于沉积 Sn:Si、Sn: Ge、Si: C、Gex: Si1-x等半导体材料。[16]

3.6 超声波化学气相沉积 (UWCVD)

超声波化学气相沉积是在找寻起动 CVD 的不同于电磁波的辐射形式的高能量能源

要求形势下出现的。超声波能够提高 CVD 的沉积速度, 形成传统 CVD 无法获得的平滑均匀的沉积膜。据有关报道, 适当调节超声波的频率和功率, 可以使 CVD 沉积膜晶粒细化, 强韧性提高, 增强沉积膜与基材

的结合力, 沉积膜具有强的方向性等。由于UWCVD 具有在某些其它 CVD 方法无法获得的优点, 如沉积膜组织细小、致密, 沉积膜与基材结合牢固, 沉积膜有良好的强韧性等, 故对此种新工艺的探讨研究是很有必

要的,同时将其有效地应用到工业生产中也是很有可能的。[17]

3.7 微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）

由微波源产生的微波经波导管传输至

模式转换器转换或者直接稱合进谐振腔后,在基片上方中心处聚焦形成强电磁场。谐振腔和介质窗口组成的真空反应室中的反应

气体在强电磁场的作用下激发产生等离子体,进而实现金刚石膜的沉积。

图5 MPCVD法示意图

与热丝法相比,MPCVD法避免了因热金属丝蒸发而对金刚石薄膜造成的污染;与直流电弧等离子体喷射法相比,MPCVD法中的