第七章(化学汽相沉积技术)
第七章_三五族化合物半导体讲解
用途：（1）制备超晶格结构； （2）生长具有多层结构的薄膜外延层---各种异质结。
化学束外延CBE
CLVPE生长优点：设备简单，可以沉积出高纯 外延材料 缺点：由于GaCl是在源区由化学反应生成 的，其分压重现性较差 HVPE
HVPE生长GaAs
体系：Ga-HCl-AsH3-H2 主要反应 优点：Ga（GaCl）和As4（AsH3 ）的输入量可以 分别控制，并且AsH3的输入可以在Ga源的下游，因此不 存在Ga源饱和的问题，所以Ga源稳定 CLVPE、HVPE生长GaAs中Si沾污
• 基本原理 RnM+XHn→MX+nRH 或 RnM+XR’n→MX+n(R-R’n) R、R’为烷基，M为II、III族元素；X为V、 VI族元素
MOVPE设备
气体处理系统（源供给系统、气体输运和流 量控制系统） 反应室（反应室加热及温度控制系统） 尾气处理 安全防护及毒气报警系统 控制系统
化学气相沉积（CVD）
化学气相沉积（CVD）也称为气相外延 （Vapor－phase epitaxy，VPE）， 是通过气体化合物间的化学作用而形成外延层的工艺，CVD工 艺包括 • 常压化学汽相淀积(APCVD)(Atmospheric pressure CVD) • 低压化学汽相淀积(LPCVD) • 等离子增强化学汽相淀积(PECVD)(Plasma Enhanced CVD) • 金属有机化学气相沉积（MOCVD） • 激光化学气相沉积等
化学气相沉积
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
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4.2 化学气相沉积原理
一、基本概念
化学气相沉积（CVD）：
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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
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
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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
化学气相沉积法的原理和材料制备
化学气相沉积法的原理和材料制备化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）是一种常用于材料制备的技术方法。
它利用气体化学反应，在高温下生成固态材料，并将其沉积在基底表面上形成薄膜或纳米结构。
CVD方法广泛应用于半导体、纳米材料、涂层等领域，并在电子、光学、能源等产业中发挥重要作用。
CVD的原理是利用气体在高温下分解反应，生成高纯度材料。
首先，将所需材料的前体化合物（一种或多种）以气体形式引入反应室。
然后，通过加热反应室使其达到适宜的温度，并在此温度下维持一定时间。
在高温下，前体分子会分解为活性物种（如原子、离子或自由基），这些活性物种与基底表面发生反应，生成所需材料的沉积物。
反应过程中，通常还会加入载气（如氢气）以稀释和传递反应物质。
CVD方法提供了一种有效的材料制备手段，其优势在于能够实现高纯度、均匀性好的材料生长，并且可以控制沉积速率和沉积形貌。
其适用范围广泛，不仅可以制备块体材料，也可以制备薄膜、纳米颗粒等纳米结构材料。
此外，CVD还可以在不同的温度下进行，因此能够适应多种材料的生长需求。
CVD方法主要分为热分解CVD、化学气相沉积CVD和物理气相沉积CVD等几种类型。
在热分解CVD中，通过加热气体源使之分解，产生所需材料的沉积物。
这种方法常用于制备碳纳米管、金属纳米线等纳米结构材料。
在化学气相沉积CVD中，主要利用气体的化学反应生成沉积物。
通过选用合适的前体化合物及反应条件，可以实现对材料成分和结构的控制。
物理气相沉积CVD则是通过物理过程实现材料的沉积，如物理吸附或辐射捕捉。
CVD方法可以制备多种材料，例如二氧化硅、氮化硅、氮化铝、碳化硅等。
其中，二氧化硅是一种广泛应用于微电子器件中的重要材料。
通过CVD方法可以在硅基底上沉积高纯度、均匀性好的二氧化硅薄膜，用于制备晶体管、电容器等器件。
同样，氮化硅和氮化铝等氮化物材料也可以通过CVD方法制备，用于制备高能效LED、功率器件等光电子器件。
化学气相沉积原理
化学气相沉积原理化学气相沉积原理（ChemicalVaporDeposition，CVD）技术是一种利用特定温度和压力等环境下，以原料气体为主要反应物，在晶体表面生成一层膜的一种技术。
它是制备复杂晶体和半导体材料、功能膜绝缘膜以及薄膜传感器等的重要手段。
本文将对化学气相沉积原理进行简要介绍并探讨其原理、发展状况和应用前景。
化学气相沉积原理是20世纪60年代美国Stony Brook大学的研究人员发明的。
原理是利用特定温度和压力，将源气体反应后形成膜，在许多材料上都可以进行。
它不仅具有半导体薄膜和金属膜的有机结合性，而且在低温、低压条件下，晶体表面受到源气体的温度和压力的影响极小，可以在各种晶体表面上形成膜，用以获得有效的原位制备有序膜。
一般来说，CVD技术具有以下特点：1、反应产物留在晶体表面，操作步骤简单，可以形成深厚的均匀合晶膜；2、晶体表面和晶体体系都不受到CVD过程的影响；3、均匀膜可用于形成精密器件或小型器件；4、CVD过程中不会产生有害物质，环境污染小；5、CVD过程中可以形成合晶膜，无须热处理保持晶体结构；6、可用于大规模生产。
CVD技术最早被用于半导体制备，因其具有良好的结构控制和可大规模生产的特点，近年来，CVD技术被广泛用于金属膜、纳米晶体、纳米化合物等的制备，成为特种器件、传感器、节能技术和生物医学技术的重要基础。
CVD技术的发展以来，已经取得了较大的进展。
现在，CVD技术已被用于多种半导体芯片、显示器和太阳能电池的制备，有效地为现代信息、电子、能源和医疗等领域提供了支撑。
随着更先进的技术的出现，CVD技术的研究和应用也在不断发展，被广泛应用于传感器，电子信号处理，新材料研究，太阳能电池，太空技术等领域，发挥着重要作用。
总之，化学气相沉积技术发展快速，应用广泛，已经取得了许多重要的研究成果，可以有效地支撑信息、电子、能源和医疗等领域的发展。
新一代CVD技术可以为未来许多领域提供更多的可能性，它将成为节能技术，精密器件，薄膜传感器，生物医学技术的重要基础。
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。
第七章气相沉积技术
离子镀膜的基本过程
蒸发 材料
蒸发材料 被电离
离子加速
基片 (工件)
气体光辉放电
镀膜材料的蒸发、材料离子化、离子加速、离子轰击 工件表面沉积成膜。
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离子镀膜的特点
膜层的附着力强，不易脱落，这是离子镀膜的重要特性。
如在不锈钢上镀制2050m厚的银膜，可以达到300MPa的 粘附强度，钢上镀镍，粘附强度也极好。
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负偏压
靶
plasma
基片
物理 气相沉积
反应性气体 CH4
基片
化学 气相沉积
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7.1 气相沉积的过程
气相沉积基体过程包括三个步骤： （1）提供气相镀料；
蒸发镀膜: 使镀料加热蒸发； 溅射镀膜: 用具有一定能量的离子轰击，从靶材上击出镀料原子。 （2）镀料向所镀制的工件（或基片）输送 （在真空中进行，这主要是为了避免过多气体碰撞） 高真空度时（真空度为 10-2Pa）： 镀料原子很少与残余气体分子碰撞，基本上是从镀源直线前进至基片； 低真空度时（如真空度为 10Pa）： 则镀料原子会与残余气体分子发生碰撞而绕射，但只要不过于降低镀膜 速率，还是允许的。 真空度过低，镀料原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，则镀膜过程无法进 行。
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3）溅射镀膜工艺与应用
溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜和 物理功能膜两大类。
前者包括耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜材料、 固体润滑薄膜材料；后者包括电、磁、声、光等功能薄膜 材料等。
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采用Cr、Cr-CrN等合金靶或镶嵌靶，在N2、CH4等气氛 中进行反应溅射镀膜，可以在各种工件上镀Cr、CrC、 CrN等镀层。纯铬膜的显微硬度为425～840HV，CrN膜 为1000～350OHV，不仅硬度高且摩擦系数小，可代替水 溶液电镀铬。
化学气相沉积法PPT课件
CVD法是一种化学反应法，应用非常广泛，可制备多种物 质的薄膜，如单晶、多晶或非晶态无机薄膜，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的薄膜。
2020/10/13
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化学气相沉积薄膜的特点：
• 由于CVD法是利用各种气体反应来组成薄膜，所以可 以任意控制薄膜的组成，从而制得许多新的膜材。
化学气相沉积法
2020/10/13
姓名：尤凤霞 08材成
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• 一.化学气相沉积的概念 • 二.化学气相沉积薄模的特点 • 三.化学气相沉积的分类 • 四.化学气相沉积的基本工艺流程 • 五.化学气相沉积的工艺方法
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ห้องสมุดไป่ตู้ 化学气相沉积的概念:
化学气相沉积（英文：Chemical Vapor Deposition，简称 CVD）是通过气相物质的化学反应的基材表面上沉积固态薄 膜的一种工艺方法。是一种用来产生纯度高、性能好的固 态材料的化学技术。各种化学反应，如分解、化合、还原、 置换等都可以用来沉积于基片的固体薄膜，而反应多余物 （气体）可以从反应室排出。
1.气溶胶辅助气相沉积 (AACVD)：使用液体/气体的气溶胶的 前驱物成长在基底上，成长速非常快。此种技术适合使用 非挥发的前驱物。
2.直接液体注入化学气相沉积 (DLICVD)：使用液体 (液体或固 体溶解在合适的溶液中) 形式的前驱物。
等离子技术分类
20203/1.0/微13 波等离子辅助化学气相沉积, (MPCVD)
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4.等离子增强化学气相沉积 (PlECVD)：利用等离 子增加前驱物的反应速率。PECVD技术允在低 温的环境下成长，这是半导体制造中广泛使用 PECVD的最重要原因。
化学气相沉积法ppt课件
优点：可以在热敏感的基体上进行沉积；
缺点：沉积速率低，晶体缺陷密度高，膜中杂质 多。
原料输送要求：把欲沉积膜层的一种或几种组分 以金属烷基化合物的形式输送到反应区，其他 的组分可以氢化物的形式输送。
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(A)CVD的原理
CVD的机理是复杂的，那是由于反应气体中不同 化学物质之间的化学反应和向基片的析出是同 时发生的缘故。
基本过程：通过赋予原料气体以不同的能量使其 产生各种化学反应，在基片上析出非挥发性的 反应产物。
图3.14表示从TiCl4+CH4+H2的混合气体析出 TiC过程的模式图。如图所示，在CVD中的析出 过程可以理解如下：
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⑥绕镀性好：可在复杂形状的基体上及颗粒材 料上沉积。
⑦气流条件：层流，在基体表面形成厚的边界 层。
⑧沉积层结构：柱状晶，不耐弯曲。通过各种 技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶 粒的等轴沉积层。
⑨应用广泛:可以形成多种金属、合金、陶瓷和 化合物沉积层
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（2）CVD的方法
LCVD技术的优点：沉积过程中不直接加热整块 基板，可按需要进行沉积，空间选择性好，甚 至可使薄膜生成限制在基板的任意微区内；避 免杂质的迁移和来自基板的自掺杂；沉积速度
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(D)超声波化学气相沉积(UWCVD)
定义：是利用超声波作为CVD过程中能源的一种 新工艺。
①常压CVD法； ②低压CVD法； ③热CVD法； ④等离子CVD法； ⑤间隙CVD法； ⑥激光CVD法； ⑦超声CVD法等。
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(C)CVD的流程与装置
气相沉积技术.
第七章 气相沉积技术
7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 一、蒸发原理 在高真空中用加热蒸发的方法使镀料转化为气 相，然后凝聚在基体表面的方法称蒸发镀膜（简 称蒸镀）。蒸发镀膜过程是由镀材物质蒸发、蒸 发材料粒子的迁移和蒸发材料粒子在基板表面沉 积三个过程组成。
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第七章 气相沉积技术
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第七章 气相沉积技术
7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 二、蒸发方法 蒸发源：加热待蒸发材料并使之挥发的器具称为 蒸发源，也称加热器。 蒸镀方法主要有下列几种： 1.电阻加热法：让大电流通过蒸发源，加热待镀材 料，使其蒸发的简单易行的方法。
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第七章 气相沉积技术
7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 二、蒸发方法 1.电阻加热法： 对蒸发源材料的基本要求是：高熔点，低蒸气 压，在蒸发温度下不会与膜料发生化学反应或互溶， 具有一定的机械强度，且高温冷却后脆性小等性质。 常用钨、钼、钽等高熔点金属材料。按照蒸发材料 的 不同，可制成丝状、带状和板状等。
第七章 气相沉积技术
7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.1气相沉积的基本过程 （1）气相物质的产生 一类方法是使镀料加热蒸发，称为蒸发镀膜；另 一类是用具有一定能量的离子轰击靶材（镀料）， 从 靶材上击出镀料原子，称为溅射镀膜。 （2）气相物质的输送 气相物质的输送要求在真空中进行，这主要是为 了避免气体碰撞妨碍气相镀料到达基片。
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第七章 气相沉积技术
7.1 物理气相沉积（PVD） 7.1.2 蒸发镀膜 蒸发镀是PVD方法中最早用于工业生产的一种， 该方法工艺成熟，设备较完善，低熔点金属蒸发效 果高，可用于制备介质膜、电阻、电容等，也可以 在塑料薄膜和纸张上连续蒸镀铝膜。 定义：在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料 转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法称为蒸发 镀膜，简称蒸镀。
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。
化学气相沉积原理
化学气相沉积原理化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种重要的化学气相沉积技术，广泛应用于材料科学和工程领域。
它通过在高温下使气态前体物质分解并沉积在基底表面上，从而形成薄膜、纳米颗粒或纳米线等结构。
这种方法具有高效、低成本、可控性强等优点，因此受到了广泛关注。
化学气相沉积的原理主要包括气态前体物质的分解和沉积过程。
首先，气态前体物质被输送到反应室中，在高温条件下发生热分解或光解反应，生成活性物种。
这些活性物种在基底表面发生化学反应，最终形成所需的沉积产物。
整个过程中，温度、压力、气体流速等参数对沉积产物的性质起着重要作用。
在化学气相沉积过程中，温度是一个至关重要的参数。
通常，高温有利于气态前体物质的分解，从而增加沉积速率和改善薄膜质量。
但是，过高的温度可能导致杂质的掺杂和晶粒的生长，影响薄膜的性能。
因此，合理控制沉积温度对于获得高质量的沉积产物至关重要。
除了温度，压力也是影响化学气相沉积的重要参数之一。
在高压条件下，气态前体物质的浓度增加，有利于沉积速率的提高。
但是，过高的压力可能导致气体的对流扩散受到限制，从而影响沉积产物的均匀性和致密性。
因此，合理控制沉积压力对于获得均匀致密的沉积产物至关重要。
此外，气体流速和反应时间等参数也对化学气相沉积过程起着重要作用。
合理控制这些参数，可以实现沉积产物的精确控制和优化，从而满足不同应用领域的需求。
总的来说，化学气相沉积技术具有很高的灵活性和可控性，可以制备多种材料和结构。
通过合理控制反应条件和参数，可以实现对沉积产物性质的精确调控，满足不同应用领域的需求。
因此，化学气相沉积技术在材料科学和工程领域具有广阔的应用前景。
化学气相沉积CVD
3. PECVD装置 普通CVD+高频电源（用于产生等离子体）
图8.3.4 卧式管状PECVD装置
用高频产生辉光放电等离子体的卧式反应 器，用于沉积氮化硅等薄膜。
在 350～400℃的低温下，以50～ 100nm／min的沉积速率进行成膜。
图8.3.5 立式PECVD反应器
SiH4生长Si外延层的立式管状 PECVD反 应器，当T=650℃，P<1.3Pa时，可得 到均匀优质的硅外延层。
（3） PECVD工艺的主要缺点是：由于等离子体轰击，使沉 积膜表面产生缺陷，反应复杂，也会使薄膜的质量有 所下降。
PECVD是20世纪80年代崛起的新沉积制膜
技术，特别适用于金属化后钝化膜和多层布 线介质膜的沉积！
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三、光CVD（PCVD）
光化反应：用光束来激活反应物，促进生成物形成的化学反 应。
相沉积中的最简单形式，例如：
SiH4 (气) 800℃～1200℃ Si(固)＋2H2 ↑
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Ni(CO)4(气) 190～240℃ Ni(固)＋4 CO↑ CH4(气) 900~1200℃ C(固)＋2H2 ↑ TiI4(气) 加热 Ti(固)＋2I2 ↑
用作热分解反应沉积的气态化合物原料主要有： 硼的氯化物，氢化物； 第IV族大部分元素的氢化物和氯化物； VB、VIB族的氢化物和氯化物； 铁、镍、钴的羰基化合物和羰基氯化物； 以及铁、镍、铬、铜等的金属有机化合物等。
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2024/10/15
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5. CVD的优缺点
（1）优点： ① 膜层纯度一般很高，很致密，容易形成结晶定向好的材料;
例如：用蓝宝石作基片，用CVD制备的－Al2O3单晶材料, 其杂质含量为30～34ppm，远小于蓝宝石本身的杂质含量； ② 能在较低温度下制备难熔物质；
第七章气相沉积技术ppt课件
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
定义：等离子体是指存在的时间和
空间均超过某一临界值的电离气体
产生途径——宇宙、天体、上层气
体、放射线及同位素、X射线、粒子 加速器、反应堆、场致电离、冲击波、 燃烧、激光、真空紫外光、发电等， 在气相沉积中广泛采用的是气体放电 产生等离子体。
等离子体特征
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秀
成 为
一
种
惯
离子镀膜的应用
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
①首先，离子镀是各种刀具的保护神。可 以在各种齿轮、模具或刀具上离子镀氮化 钛、碳化钛、氮碳化钛、碳化钨、氮化锆 等多种硬质膜。 ②其次，离子镀技术还是美化人民生活的 得力工具。从我们手上带的手表表壳、表 带，到手机外壳，鼻梁上的眼镜，再到我 们衣服上的扣子、领带夹，腰上别的钥匙 扣、链子及腰带头。这些都是离子镀的杰 作。颜色也是多种多样。 ③离子镀膜还广泛应用于耐腐蚀、耐热、 润滑及电子工业的集成电路等中。
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
化学气相沉积
什么东西最硬？（钻石、铬钴） 沉积原理？
外延
让 优
秀
成 为
一
种
习
外延的概念：外延是指在单晶基片上生长出位向 相同的同类单晶体（同质外延），或者生长出具 有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。
外延分为——气相外延、液相外延和分子束外延
气相外延就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过 程。
有基体支撑：依附于固体表面并得到 其支撑而存在，并具有与支撑固体不 同结构和性能的二维材料
手机贴膜
手机贴膜
塑料膜
让 优
化学气相沉淀法
1
CVD法简述
目录
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CVD法分类及应用
1.CVD法简述
定义
一种或数种反应气体通 过热、激光、等离子体等发 生化学反应析出超微粉的方 法。
1.1 CVD法原理
图1 化学气相沉积的五个主要的步骤 (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
a.热分解或高温分解反应：SiH4(g)
Ni(CO)4(g) b.还原反应 SiCl4(g) + 2H2(g) WF6(g) + 3H2(g) c.氧化反应 d.水解反应 e.复合反应 SIH4(g)+O2(g) 2AlCl3(s) + 3H2O(g)
Si(s) + 2H2 (g)
Ni(s) + 4CO(g) Si(s) + 4HCl(g) W(s) + 6HCl(g) Si(s)+H2O(g) Al2O3(s)+6H2O(g)
无机晶体材料晶体的生长过程
由于化学气相沉积法所制备的大多是无机晶体材料涉及到晶
体的生长。晶体生长：第一步是获得结晶核心，后续的结晶过程
通过该核心的生长完成。结晶核心可以是外来的即引入子晶，也 可以是母相中形成的。第二步：在完成晶核以后，晶体的生长过
程是通过结晶界面不断向母相中推进。
1.2 采用CVD法应具备的条件
（1）在沉积温度下反应物应保证足够的压力，以适当 的速度引入反应室 （2）除需要的沉积物外，其它反应物或生成物应是挥 发性的。 （3）沉积薄膜本身必须具有足够的蒸汽压，保证沉积 反应过程始终在受热基片上进行，而基片的蒸汽压必 须足够低。
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。
各种化学气相沉积技术的工作原理及优缺点
各种化学气相沉积技术的工作原理及优缺点各种化学气相沉积技术的工作原理及优缺点如下：化学气相沉积技术（CVD）是一种常用的材料制备和表面处理方法，其工作原理是利用气态的化学反应来合成固态的物质。
下面介绍几种常见的化学气相沉积技术。
1. 常压化学气相沉积（APCVD）工作原理：常压化学气相沉积是在常压下，将反应气体引入到加热的基体表面，通过热分解和化学反应来形成固态沉积物。
优点：沉积温度低，可沉积大面积的均匀涂层。
缺点：需要较高的温度和较长的沉积时间，基体材料受热可能发生氧化或结构变化。
2. 低压化学气相沉积（LPCVD）工作原理：低压化学气相沉积是在较低的压力下，将反应气体引入到加热的基体表面，通过热分解和化学反应来形成固态沉积物。
优点：可在较低的温度和较短的沉积时间内获得高质量的涂层。
缺点：需要高真空设备和较高的投资成本。
3. 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工作原理：等离子体增强化学气相沉积是利用辉光放电等离子体来增强气态反应的活性，使反应气体在较低的温度下也能发生化学反应形成固态沉积物。
优点：可在较低的温度下进行沉积，适用于各种材料的表面处理和涂层制备。
缺点：需要特殊的电源和控制设备，且沉积速率较低。
4. 激光化学气相沉积（LCVD）工作原理：激光化学气相沉积是利用激光诱导的气态反应来形成固态沉积物。
通过将激光束聚焦到基体表面，使局部区域快速加热并引发气态化学反应。
优点：可实现快速、高精度和局部化的沉积，适用于复杂形状和微细结构的制备。
缺点：需要高能激光器和精密的光学系统，且对基体材料的导热性能要求较高。
5. 金属有机化学气相沉积（MOCVD）工作原理：金属有机化学气相沉积是利用金属有机化合物作为反应气体，通过热分解和化学反应来形成金属或其化合物的固态沉积物。
优点：可制备高纯度、高附着力的金属或合金涂层，适用于电子、光学和催化等领域。
缺点：需要严格控制工艺条件，如温度、压力和气体流量等，且对操作人员的健康有一定危害。
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。
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• 边界层（滞留层）近似： 在边界层中气流速度为零，在边界层外气流速度为v
• 边界层的厚度与沿气流方向 的位置有关
δ ( z) ≈ 5
µ⋅z
v
µ气体运动黏滞率，v气流速率 z 沿气流方向坐标
• 边界层厚度随着z1/2而增加 • 为了维持沉积速率的均匀， 必须保证边界层的厚度均匀 • 因此一般采用楔形基座，沉 积表面朝气流方向倾斜。
例子： 例子： 多晶硅薄膜的制备： 气态) 固态)+2H2(气态 气态) 多晶硅薄膜的制备：SiH4(气态 --- Si(固态 气态 固态 气态 碳化硅膜的制备： 气态) 固态) 气态) 碳化硅膜的制备：CH3SiCl3 (气态 ---SiC (固态 +3HCl (气态 气态 固态 气态
例子： 例子： 多晶硅薄膜的制备： 气态)+2H2 --- Si(固态 固态)+4HCl(气态 气态) 多晶硅薄膜的制备：SiCl4(气态 气态 固态 气态 金属钨薄膜的制备： 气态) 固态) 气态) 金属钨薄膜的制备：WF6(气态 +3H2---W (固态 +6HF(气态 气态 固态 气态
复合反应
例子： 例子： TiN薄膜的制备：2TiCl4 (气态 +4H2(气态 +N2(气态 薄膜的制备： 气态) 气态) 气态) 薄膜的制备 气态 气态 气态 --- 2TiN(固态 固态)+8HCl(气态 气态) 固态 气态
CVD反应过程的 个步骤 反应过程的8个步骤 反应过程的
(1) 反应气体导入系统； 反应气体导入系统； (2) 薄膜先驱物反应； 薄膜先驱物反应； (3) 反应气体由扩散和整体流动 粘质流动 穿过边界层； 反应气体由扩散和整体流动(粘质流动 穿过边界层； 粘质流动)穿过边界层 (4) 气体在基底表面的吸附； 气体在基底表面的吸附； (5 吸附物之间或吸附物与气态物质之间的化学反应； 吸附物之间或吸附物与气态物质之间的化学反应； (6) 吸附物从基底解吸； 吸附物从基底解吸； (7) 生成气体从边界层到整体气体的扩散和整体流动； 生成气体从边界层到整体气体的扩散和整体流动； (8) 气体从系统中排出。 气体从系统中排出。
CVD反应过程的 个步骤 反应过程的8个步骤 反应过程的
p247CVD传输和反应步骤图
举例） 薄膜先驱物反应 （举例）
SiH4(g) -> SiH2(g) + H2(g) SiH4(g) + SiH2(g) -> Si2H6(g) Si2H6(g) -> 2Si(s) + 3H2(g) SiH2(g) -> Si(s) + H2(g) (高温分解) (反应半成品) (最终产物) (最终产物)
例子： 例子： 氮化硅薄膜制备： 气态) 固态)+12H2(气态 气态) 氮化硅薄膜制备：3SiH4+4NH3(N2) (气态 --- Si3N4(固态 气态 固态 气态
氮化反应：反应物分子与 氮化反应：反应物分子与N2或NH3发生反应
置换反应
例子： 例子： TiC薄膜的制备：TiCl4(气态 薄膜的制备： 气态)+CH4(气态 --- TiC(固态 4HCl(气态 气态) 固态)+ 气态) 薄膜的制备 气态 气态 固态 气态
CVD的在集成电路制造中的重要性 的在集成电路制造中的重要性
CVD的特点 的特点
(1) 可以在大气压下(常压APCVD)或低于大气压 (LPCVD)下进行沉积； (2) 采用等离子或激光辅助技术可促进化学反应，使沉 积温度降低；减轻衬底热形变，并抑制缺陷的生成； (3)可控制材料的化学计量比，从而获得梯度沉积物或 混合镀层；厚度可控性好，厚度与反应时间成正比。 沉积速率高于PVD。 (4) 沉积薄膜与衬底附着力好，台阶覆盖性好； (5) 绕镀性好，可以在复杂形状表面镀膜； (6) 可以形成多种金属、合金、陶瓷、和化合物薄膜。
第七章：薄膜制备技术—— 化学汽相沉积法
Chapter 7: Thin Film Deposition Techniques —— Chemical Vapor Deposition (CVD)
PVD vs. CVD
• CVD: Chemical reaction on the surface • PVD: No chemical reaction on the surface PVD Poor step coverage (15%) and gap fill capability higher quality, purer deposited film higher conductivity easy to deposit alloys CVD Better step coverage (50~100%) has impurity in the film lower conductivity easy to deposit dielectrics
CVD反应过程 反应过程
• 分子被吸附在硅片表面后发生化学反应，形成硅原子并释放 出H2，反应关系式： 吸附过程： 表面总反应： • 吸附在硅表面的H2被解吸附，留 下空位，使反应继续进行。 • 被吸附的SiH2在硅片表面扩散， 直到找到空位成键。 • 表面扩散长度长，沉积均匀； 表面扩散长度短，沉积不均匀。 • 温度上升，扩散长度提高，均匀 性提高。
薄膜沉积速率限制阶段
(1) 反应气体导入系统； 反应气体导入系统； (2) 薄膜先驱物反应； 薄膜先驱物反应；
质量传输限 制沉积阶段
(3) 反应气体由扩散和整体流动 粘质流动 穿过边界层； 反应气体由扩散和整体流动(粘质流动 穿过边界层； 粘质流动)穿过边界层 (4) 气体在基底表面的吸附； 气体在基底表面的吸附； (5) 吸附物之间或吸附物与气态物质之间的化学反应 (6) 吸附物从基底解吸； 吸附物从基底解吸； (7) 生成气体从边界层到整体气体的扩散和整体流动； 生成气体从边界层到整体气体的扩散和整体流动； (8) 气体从系统中排出。 气体从系统中排出。
Atmosphere Pressure CVD 常压化学气相沉积法
气压： 气压：1 atm • • • • 在大气压下进行. 发生在质量输运限制沉积阶段. 对气体流量分布均匀性要求高. 常用于沉积SiO2和Si3N4.
• 优点：设备简单，沉积速率快. • 缺点：容易出现颗粒，台阶覆盖能力差.
APCVD Reactor
• 考虑一个简单的管式炉做poli-Si的CVD沉积 1，管壁温度Tw，硅片基底温度Ts 2，从左边入口通入SiH4和H2，SiH4分解生成Poli-Si，H2 作为稀释剂 3，气体进入反应腔室，温度与管壁相同 4，反应生成物和未反应的气体从右边出口流出 5，腔体中气流足够慢，反应腔压强均匀。 • 决定沉积速率的关键因素： – 反应腔内的气体流动 – 反应腔内的化学反应
CVD技术可以制备的材料 技术可以制备的材料
介电材料：SiO2, Si3N4, SiOxNy, PSG, BSG 介电材料： 低介电材料:掺碳 低介电材料 掺碳SiO2, 氟化非晶碳 掺碳 高介电材料： 高介电材料：Ta2O3, BST(Ba0.5Sr0.5TiO3) 导电材料: 导电材料 Polysilicon, WSix, W, TiN/Ti, Cu
反应腔内的气体流动动力学
• 气体流动决定了化学物质的输运和气体的温度分布 • 对CVD系统中气流的几个假设： 1，气体是黏性流，且不可压缩 层流的特征 2，气体在管壁表面的速度为零 • 对于一个表面温度固定的圆形管道，假设气体以匀 速从管道左边流入，则在Z距离内，气体将展开为完 全的管道流（抛物线形）
CVD的类型 的类型
(1)APCVD（Atmosphere Pressure 常压化学气相沉积） （ 常压化学气相沉积） (2)LPCVD（Low Pressure 低压化学气相沉积） （ 低压化学气相沉积） (3) PECVD (等离子体增强化学气相沉积 ； 等离子体增强化学气相沉积) 等离子体增强化学气相沉积 (4) TCVD/HFCVD (热/热丝化学气相沉积 ； 热丝化学气相沉积) 热 热丝化学气相沉积 (5) MPCVD (微波等离子体化学气相沉积 ； 微波等离子体化学气相沉积) 微波等离子体化学气相沉积 (6) LCVD (激光辅助化学气相沉积 ； 激光辅助化学气相沉积) 激光辅助化学气相沉积 (7) MOCVD (金属有机化合物化学气相沉积 ； 金属有机化合物化学气相沉积)； 金属有机化合物化学气相沉积 (8) DC-Arc plasma CVD(直流电弧等离子体化学气相沉积 ； 直流电弧等离子体化学气相沉积) 直流电弧等离子体化学气相沉积
Chemical Vapor Deposition (CVD化学气相沉积 化学气相沉积) 化学气相沉积
• 对于一种或数种物质的气体，以某种方 式激活后（如高温、等离子化、光），在 衬底表面发生化学反应，并沉积出所需固 体薄膜的生长技术。 • 与物理气相沉积不同的是沉积粒子来源 于化合物的气相分解或反应。 • 一般用于介质层和半导体层薄膜制备。
反应速度限 制沉积阶段
薄膜沉积速率限制阶段
速度限制阶段
薄膜沉积速率限制阶段
• 薄膜沉积受到的两个主要影响因素 – 反应气体传输到达表面的速率 – 化学反应的速率
质量传输限 制沉积工艺 反应速度限 制沉积工艺
• 由反应速度最慢的阶段决定薄膜沉积速率。
CVD的反应体系的基本要求 的反应体系的基本要求
• 气相输运的扩散系数与温度的关系式有：
与体扩散系数相比，De 对温度的依赖性要弱得多。 • 与此对应的，化学反应速率系数与温度的关系式有：
• 因此，CVD过程受限于 (1) 化学反应； (2) 气相输运 对决定CVD薄膜淀积速率～温度关系是至关重要的。
CVD淀积速率与温度的关系
实验结果显示： 1、低温度下，淀积速率随温度倒 数减小而增加 化学反应速率限制区 淀积速率是温度的敏感函数 2、高温度下，淀积速率随温度倒 数减小的增加幅度趋缓 质量输运速率限制区 淀积速率是气体浓度的敏感函数， 需控制气流及腔室设计