半导体材料---三五族化合物半导体的外延生长
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第七章 Ⅲ-Ⅴ族化合物外延生长
气相外延生长VPE(vapor phase epitaxy, VPE) 卤化物法(Ga/AsCl3/H2体系) 氢化物法(Ga/HCl/AsH3/H2体系) 金属有机物气相外延生长MOVPE
液相外延生长LPE 分子束外延生长MBE
薄膜制备技术
1．物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）
2．化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）
3．氧化法（高压氧化法）
4．电镀法
5．涂敷、沉淀法
物理气相淀积(PVD)
蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离 金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源 的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种 溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放 电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被 溅射到晶片上
13
太阳能利用
太阳能是取之不尽的能源,利用无机材料的光电转换功 能制成太阳能电池是利用太阳能的一个重要途径。目前制 备多晶硅薄膜电池多采用 CVD技术,包括 LPCVD和 PCVD 工艺。现已试制成功的硅、砷化镓同质结电池以及利用Ⅱ～ Ⅴ族、Ⅰ～Ⅵ族等半导体制成的多种异质结太阳能电池,如 SiO2/Si、GaAs/GaAlAs、CdTe/CdS等,几乎全制成薄膜形式, 气相沉积是它们最主要的制备技术。
10
在耐磨涂层机械零件方面的应用
•在许多特殊环境中使用的材料往往需要有涂层保护，以使 其具有耐磨，耐腐蚀，耐高温氧化和耐辐射等功能。SiC 、Si3N4、MoSi2等硅系化合物是最重要的高温耐氧化涂层 。这些涂层在表面上生成致密的SiO2薄膜，起着阻止氧化 的作用，在1400～1600℃下能耐氧化。Mo和W的CVD涂 层亦具有优异的高温耐腐蚀性。
9
模具方面应用
➢工模具在工业生产中占有重要的地位，如何提高工模具 的表面性能和使用寿命一直是材料与工艺研究的重点之 一，CVD技术在工模具上的推广应用，对传统的工模具 制造是个突破。 ➢金属材料在成形时，会产生高的机械应力和物理应力， 原来工模具的抗磨能力，抗接触能力及摩擦系数等机械 性能是靠基体材料来实现的，采用该技术后，CVD的TiN 涂层作为表面保护层。
经过数十年的发展，CVD已经成为半导体生产过程中最重要的 薄膜沉积方法。PVD的应用大都局限在金属膜的沉积上；而 CVD几乎所有的半导体元件所需要的薄膜，不论是导体，半导 体，或者介电材料，都可以沉积。 在目前的VLSI及ULSI生产过程中，除了某些材料还在用溅镀 法之外，如铝硅铜合金及钛等，所有其他的薄膜均用CVD法来 沉积。
CVD法的基本原理和过程 化学气相沉积是利用气态物质在一固体材料表面上进行化学反应，
生成固态沉积物的过程。CVD在本质上是一种材料的合成过程，其主 要步骤有：
（1）反应剂被携带气体进入反应器后，在基体材料表面附近形成边界 后，然后在主气流中的反应剂越过边界扩散型材料表面。
（2）反应剂被吸附在基体材料表面，并进行化学反应。 （3）化学反应生成的固态物质，即所需要的沉积物，在基体材料表面 成核，生长成薄膜。
11
微电子技术
在半导体器件和集成电路的基本制造流程中，有 关半导体膜的外延，P-N结扩散元的形成、介质隔离、 扩散掩膜和金属膜的沉积等是工艺核心步骤，化学气相 沉积在制备这些材料层的过程中逐渐取代了如硅的高温 氧化和高温扩散等旧工艺，在现代微电子技术中占主导 地位，在超大规模集成电路中，化学气相沉积可以用来 沉积多晶硅膜，钨膜、铅膜、金属硅化物，氧化硅膜以 及氮化硅膜等，这些薄膜材料可以用作栅电极，多层布 线的层间绝缘膜，金属布线，电阻以及散热材料等。
（4）反应后的气相产物离开基体材料表面，扩散回边界层，并随输运 气体排出反应室。
CVቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ工艺特点：
（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点。 因此减轻 了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成; 设备简单，重复性好； （2）薄膜的成分精确可控； （3）淀积速率一般高于PVD（如蒸发、溅射等） （4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。 （5）极佳的覆盖能力
12
超导技术
CVD制备超导材料是美国无线电公司（RCA）在20世 纪60年代发明的，用化学气相沉积生产的Nb3Sn低温超 导材料涂层致密，厚度较易控制，力学性能好，是目 前烧制高场强、小型磁体的最优材料，为提高Nb3Sn的 超导性能，很多国家在掺杂、基带材料、脱氢、热处 理以及镀铜稳定等方面做了大量的研究工作，使CVD 法成为生产Nb3Sn的主要方法之一。
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
8
切削工具方面的应用
用CVD涂覆刀具能有效地控制在车、铣和钻孔过程中出现的 磨损，在这里应用了硬质合金刀具和高速钢刀具。特别是车床 用的转位刀片、铣刀、刮刀和整体钻头等。使用的涂层为高耐 磨性的碳化物、氯化物、碳氯化台物、氧化物和硼化物等涂层 。TiN与金属的亲和力小，抗粘附能力和抗月牙形磨损性能比 TiC涂层优越，因此，刀具上广泛使用的是TiN涂层。
化学气相沉积作为20世纪60年代初前后迅速发展起来的一种 无机材料制备技术，由于设备简单，成本低廉，因而广泛用于 高纯物质的制备、合成新晶体及沉积多种单晶态、多晶态无机 功能薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳 化物也可以是Ⅲ-Ⅴ，Ⅱ-Ⅳ，Ⅳ-Ⅵ族中的二元或多元的元素间 化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的沉积过程精 确控制。随着半导体工业的发展，化学气相沉积被广泛运用于 金属镀膜中。
气相外延生长VPE(vapor phase epitaxy, VPE) 卤化物法(Ga/AsCl3/H2体系) 氢化物法(Ga/HCl/AsH3/H2体系) 金属有机物气相外延生长MOVPE
液相外延生长LPE 分子束外延生长MBE
薄膜制备技术
1．物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）
2．化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）
3．氧化法（高压氧化法）
4．电镀法
5．涂敷、沉淀法
物理气相淀积(PVD)
蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离 金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源 的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种 溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放 电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被 溅射到晶片上
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太阳能利用
太阳能是取之不尽的能源,利用无机材料的光电转换功 能制成太阳能电池是利用太阳能的一个重要途径。目前制 备多晶硅薄膜电池多采用 CVD技术,包括 LPCVD和 PCVD 工艺。现已试制成功的硅、砷化镓同质结电池以及利用Ⅱ～ Ⅴ族、Ⅰ～Ⅵ族等半导体制成的多种异质结太阳能电池,如 SiO2/Si、GaAs/GaAlAs、CdTe/CdS等,几乎全制成薄膜形式, 气相沉积是它们最主要的制备技术。
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在耐磨涂层机械零件方面的应用
•在许多特殊环境中使用的材料往往需要有涂层保护，以使 其具有耐磨，耐腐蚀，耐高温氧化和耐辐射等功能。SiC 、Si3N4、MoSi2等硅系化合物是最重要的高温耐氧化涂层 。这些涂层在表面上生成致密的SiO2薄膜，起着阻止氧化 的作用，在1400～1600℃下能耐氧化。Mo和W的CVD涂 层亦具有优异的高温耐腐蚀性。
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模具方面应用
➢工模具在工业生产中占有重要的地位，如何提高工模具 的表面性能和使用寿命一直是材料与工艺研究的重点之 一，CVD技术在工模具上的推广应用，对传统的工模具 制造是个突破。 ➢金属材料在成形时，会产生高的机械应力和物理应力， 原来工模具的抗磨能力，抗接触能力及摩擦系数等机械 性能是靠基体材料来实现的，采用该技术后，CVD的TiN 涂层作为表面保护层。
经过数十年的发展，CVD已经成为半导体生产过程中最重要的 薄膜沉积方法。PVD的应用大都局限在金属膜的沉积上；而 CVD几乎所有的半导体元件所需要的薄膜，不论是导体，半导 体，或者介电材料，都可以沉积。 在目前的VLSI及ULSI生产过程中，除了某些材料还在用溅镀 法之外，如铝硅铜合金及钛等，所有其他的薄膜均用CVD法来 沉积。
CVD法的基本原理和过程 化学气相沉积是利用气态物质在一固体材料表面上进行化学反应，
生成固态沉积物的过程。CVD在本质上是一种材料的合成过程，其主 要步骤有：
（1）反应剂被携带气体进入反应器后，在基体材料表面附近形成边界 后，然后在主气流中的反应剂越过边界扩散型材料表面。
（2）反应剂被吸附在基体材料表面，并进行化学反应。 （3）化学反应生成的固态物质，即所需要的沉积物，在基体材料表面 成核，生长成薄膜。
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微电子技术
在半导体器件和集成电路的基本制造流程中，有 关半导体膜的外延，P-N结扩散元的形成、介质隔离、 扩散掩膜和金属膜的沉积等是工艺核心步骤，化学气相 沉积在制备这些材料层的过程中逐渐取代了如硅的高温 氧化和高温扩散等旧工艺，在现代微电子技术中占主导 地位，在超大规模集成电路中，化学气相沉积可以用来 沉积多晶硅膜，钨膜、铅膜、金属硅化物，氧化硅膜以 及氮化硅膜等，这些薄膜材料可以用作栅电极，多层布 线的层间绝缘膜，金属布线，电阻以及散热材料等。
（4）反应后的气相产物离开基体材料表面，扩散回边界层，并随输运 气体排出反应室。
CVቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ工艺特点：
（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点。 因此减轻 了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成; 设备简单，重复性好； （2）薄膜的成分精确可控； （3）淀积速率一般高于PVD（如蒸发、溅射等） （4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。 （5）极佳的覆盖能力
12
超导技术
CVD制备超导材料是美国无线电公司（RCA）在20世 纪60年代发明的，用化学气相沉积生产的Nb3Sn低温超 导材料涂层致密，厚度较易控制，力学性能好，是目 前烧制高场强、小型磁体的最优材料，为提高Nb3Sn的 超导性能，很多国家在掺杂、基带材料、脱氢、热处 理以及镀铜稳定等方面做了大量的研究工作，使CVD 法成为生产Nb3Sn的主要方法之一。
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
8
切削工具方面的应用
用CVD涂覆刀具能有效地控制在车、铣和钻孔过程中出现的 磨损，在这里应用了硬质合金刀具和高速钢刀具。特别是车床 用的转位刀片、铣刀、刮刀和整体钻头等。使用的涂层为高耐 磨性的碳化物、氯化物、碳氯化台物、氧化物和硼化物等涂层 。TiN与金属的亲和力小，抗粘附能力和抗月牙形磨损性能比 TiC涂层优越，因此，刀具上广泛使用的是TiN涂层。
化学气相沉积作为20世纪60年代初前后迅速发展起来的一种 无机材料制备技术，由于设备简单，成本低廉，因而广泛用于 高纯物质的制备、合成新晶体及沉积多种单晶态、多晶态无机 功能薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳 化物也可以是Ⅲ-Ⅴ，Ⅱ-Ⅳ，Ⅳ-Ⅵ族中的二元或多元的元素间 化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的沉积过程精 确控制。随着半导体工业的发展，化学气相沉积被广泛运用于 金属镀膜中。