薄膜材料化学气相沉积
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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。
CVD可以制备单晶、多相或非晶态无机薄膜，近 年来，已研制出金刚石薄膜、高Tc超导薄膜、透明导 电薄膜以及某些敏感功能薄膜。
wk.baidu.com薄膜材料化学气相沉积
CVD法制备薄膜具有很多优点，如薄膜组分任意 控制、生长温度低于组成物质的熔点、膜层均匀性好、 薄膜纯度高、针孔少、结构致密。
热力学分析可作为确定CVD工艺参数的参考。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
G r 与反应系统的化学平衡常数 K P 有关
G r 2.3R TlogK P
n
m
KP P i(生 成 物 ) P （ j 反 应 物 ）
i1
j1
例：热分解反应
A B ( g ) C ( g ) A ( s ) B C ( g )
按热力学原理，化学反应的自由能变化 G r 可以用反 应物和生成物的标准自由能 G f 来计算，即
G r G f( 生 成 物 ) G f( 反 应 物 )
CVD热力学分析的主要目的是预测某些特定条件下某些 CVD反应的可行性（化学反应的方向和限度）。
在温度、压强和反应物浓度给定的条件下，热力学计算 能从理论上给出沉积薄膜的量和所有气体的分压，但是不能 给出沉积速率。
薄膜材料化学气相沉积
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。
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。
通式： A B (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。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
（1）氢化物
S iH 4 7 0 0 -1 0 0 0 ℃ S i+ 2 H 2
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
较低衬底温度下， τ随温度按指数规律变化。 较高衬底温度下，反应物及副产物的扩散速率为决定反应速 率的主要因素。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
CVD法制备薄膜过程描述（四个阶段） （1）反应气体向基片表面扩散； （2）反应气体吸附于基片表面； （3）在基片表面发生化学反应； （4）在基片表面产生的气相副产物脱离表面，向空间 扩散或被抽气系统抽走；基片表面留下不挥发的固相 反应产物——薄膜。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
CVD和PVD
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
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。在电子学方面PVD法用于制作 半导体电极等。
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法制各
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。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
CVD的化学反应热力学
反应速率τ是指在反应系统的单位体积中，物质（反应 物或产物）随时间的变化率。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
温度对反应速率的影响：
Van’t Hoff规则：反应温度每升高10℃，反应速率大约 增加2-4倍。这是一个近似的经验规则。
E
Ae Arrhenius方程：
RT
式中， A 为有效碰撞的频率因子， E 为活化能。
化学气相沉积 （CVD）
Chemical Vapor Deposition
薄膜材料化学气相沉积
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）生长要求的薄膜。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
★ 化学气相沉积的基本原理
化学气相沉积的定义
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）
CVD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
薄膜材料化学气相沉积
本章主要内容
★ 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
CVD基本原理包括：反应化学、热力学、动力学、输 运过程、薄膜成核与生长、反应器工程等学科领域。
薄膜材料化学气相沉积
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 成反应、化学输运反应等。分别介绍如下。
热分解反应（吸热反应）
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图层。
KP
PBC PAB PC
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
反应方向判据：
Gr 0
可以确定反 应温度。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
平衡常数 K P 的意义：
▪ 计算理论转化率
▪ 计算总压强、配料比对反应的影响
Pi
ni P ni
通过平衡常数可以确定系统的热力学平衡问题。
2 A l ( O C 3 H 7 ) 3 4 2 0 ℃ A l 2 O 3 + 6 C 3 H 6 + 3 H 2 O
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。
CVD可以制备单晶、多相或非晶态无机薄膜，近 年来，已研制出金刚石薄膜、高Tc超导薄膜、透明导 电薄膜以及某些敏感功能薄膜。
wk.baidu.com薄膜材料化学气相沉积
CVD法制备薄膜具有很多优点，如薄膜组分任意 控制、生长温度低于组成物质的熔点、膜层均匀性好、 薄膜纯度高、针孔少、结构致密。
热力学分析可作为确定CVD工艺参数的参考。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
G r 与反应系统的化学平衡常数 K P 有关
G r 2.3R TlogK P
n
m
KP P i(生 成 物 ) P （ j 反 应 物 ）
i1
j1
例：热分解反应
A B ( g ) C ( g ) A ( s ) B C ( g )
按热力学原理，化学反应的自由能变化 G r 可以用反 应物和生成物的标准自由能 G f 来计算，即
G r G f( 生 成 物 ) G f( 反 应 物 )
CVD热力学分析的主要目的是预测某些特定条件下某些 CVD反应的可行性（化学反应的方向和限度）。
在温度、压强和反应物浓度给定的条件下，热力学计算 能从理论上给出沉积薄膜的量和所有气体的分压，但是不能 给出沉积速率。
薄膜材料化学气相沉积
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。
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。
通式： A B (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。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
（1）氢化物
S iH 4 7 0 0 -1 0 0 0 ℃ S i+ 2 H 2
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
较低衬底温度下， τ随温度按指数规律变化。 较高衬底温度下，反应物及副产物的扩散速率为决定反应速 率的主要因素。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
CVD法制备薄膜过程描述（四个阶段） （1）反应气体向基片表面扩散； （2）反应气体吸附于基片表面； （3）在基片表面发生化学反应； （4）在基片表面产生的气相副产物脱离表面，向空间 扩散或被抽气系统抽走；基片表面留下不挥发的固相 反应产物——薄膜。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
CVD和PVD
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
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。在电子学方面PVD法用于制作 半导体电极等。
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法制各
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。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
CVD的化学反应热力学
反应速率τ是指在反应系统的单位体积中，物质（反应 物或产物）随时间的变化率。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
温度对反应速率的影响：
Van’t Hoff规则：反应温度每升高10℃，反应速率大约 增加2-4倍。这是一个近似的经验规则。
E
Ae Arrhenius方程：
RT
式中， A 为有效碰撞的频率因子， E 为活化能。
化学气相沉积 （CVD）
Chemical Vapor Deposition
薄膜材料化学气相沉积
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）生长要求的薄膜。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
★ 化学气相沉积的基本原理
化学气相沉积的定义
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）
CVD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
薄膜材料化学气相沉积
本章主要内容
★ 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
CVD基本原理包括：反应化学、热力学、动力学、输 运过程、薄膜成核与生长、反应器工程等学科领域。
薄膜材料化学气相沉积
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 成反应、化学输运反应等。分别介绍如下。
热分解反应（吸热反应）
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图层。
KP
PBC PAB PC
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
反应方向判据：
Gr 0
可以确定反 应温度。
薄膜材料化学气相沉积
化学气相沉积——基本原理
平衡常数 K P 的意义：
▪ 计算理论转化率
▪ 计算总压强、配料比对反应的影响
Pi
ni P ni
通过平衡常数可以确定系统的热力学平衡问题。
2 A l ( O C 3 H 7 ) 3 4 2 0 ℃ A l 2 O 3 + 6 C 3 H 6 + 3 H 2 O
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。