化学气相沉积化学气相沉积 Chemical Vapor Deposition , CVD主要内容：CVD的基本原理CVD的特点CVD方法CVD的现状和展望一、CVD的基本原理化学气相沉积（化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition ,CVD ） 利用气态物质在一固体表面上进行化学反应，生成固态沉积物的过程。1、CVD的基本条件 1）足够高的温度：气体与机体表面作用、反应沉积时需要一定的激活能量，故CVD要在高温下进行。当然，以等离子体、激光提过激活能量，可降低反应的温度。 2）反应物必须有足够高的蒸气压。 3）除了要得到的固态沉积物外，化学反应的生成物都必须是气态。 4）沉积物本身的饱和蒸气压应足够低。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 2）还原 3）氧化4）水解5）综合 许多镀层的沉积包含上述两种或几种基本反应。 此外，还有等离子体激发、光和激光激发等反应。 4、CVD装置 CVD设备混合气体中某些成分分解后可以混合气体中某些成分分解后可以单独沉积在基体表面形成薄膜，单独沉积在基体表面形成薄膜，或混合气体中某些成分分解后与基体或混合气体中某些成分分解后与基体表面相互作用形成化合物，表面相互作用形成化合物，沉积在基体表面形成薄膜沉积在基体表面形成薄膜 初始气源 加热反应室 废气处理系统 CVD装置基本组成二、CVD的特点CVDCVD过程可在高温或中温下进行过程可在高温或中温下进行 CVDCVD过程可在大气压或低于大气压过程可在大气压或低于大气压( (低压低压) )下进行下进行 镀层的密度和纯度可控制，镀层的化学成分可改变镀层的密度和纯度可控制，镀层的化学成分可改变 绕镀性好，适用于在复杂形状零件上沉积薄膜绕镀性好，适用于在复杂形状零件上沉积薄膜 可形成多种金属、合金、陶瓷和化合物镀层可形成多种金属、合金、陶瓷和化合物镀层 三、化学气相沉积方法l热化学气相沉积（热化学气相沉积（TCVD）l低压化学气相沉积（低压化学气相沉积（LPCVD）l等离子体化学气相沉积（等离子体化学气相沉积（PCVD）l激光（诱导）化学气相沉积（激光（诱导）化学气相沉积（LCVD）l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（MOCVD）热化学气相沉积（TCVD）l 热化学气相沉积是指采用衬底表面热催化方式进行的化学气相沉积。l 一般在8002000的高温反应区，利用电阻加热，高频感应加热和辐射加热的化学气相沉积。这样的高温使衬底的选择受到很大限制，但它是化学气相沉积的经典方法。l 应用于半导体和其他材料。 TCVD系统TCVD装置包括三个相互关联的部分：气体供应系统气体供应系统、反反应室应室及排气系统排气系统典型的TCVD装置示意图 低压化学气相沉积（LPCVD） LPCVD压力范围一般在1Pa410000Pa之间。由于低压下分子平均自由程增加，因而加快了气态分子的运输过程，反应物质在工件表面的扩散系数增大，使薄膜均匀性得到改善。对于表面扩散动力学控制的外延生长，可增大外延层的均匀性，这在大面积大规模外延生长中（例如大规模硅器件工艺中的介质膜外延生长）是必要的。但对于由质量输送控制的外延生长，上述效应并不明显。 LPCVD装置示意图LPCVD适于单晶硅、多晶硅和氮化硅等超大规模集成电路的制造对设备要求高，须有精确的压力控制系统，成本高可精确控制膜层的成分和结构 等离子体化学气相沉积(PCVD)1、基本原理 PCVD是将低压气体放电等离子体应用于化学气相沉积中的技术，它是用辉光放电产生的等离子体激活气体分子，使化学气相的化学反应在低的温度下进行，因而也称等离子增强化学气相沉积（PECVD）。 这是一种高频辉光放电物理过程与化学反应相结合的技术。2、PCVD的成膜步骤反应沉积成膜等离子体扩散等离子体产生气相物质被激活等离子体产生等离子体扩散等离子体产生等离子体扩散等离子体产生气相物质被激活等离子体扩散等离子体产生气相物质被激活等离子体扩散等离子体产生外电场提高能量，利用低压气体的辉光放电产生等离子体反应沉积成膜反应沉积成膜气相物质被激活气相物质被激活等离子体扩散等离子体扩散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利用直流、射频、激光等手段，激活反应气体活体粒子在基体表面发生化学反应，形成膜层等离子体扩散等离子体扩散等离子体产生等离子体产生气相物质被激活气相物质被激活等离子体扩散等离子体扩散等离子体产生等离子体产生气相物质被激活气相物质被激活等离子体扩散等离子体扩散等离子体产生等离子体产生气相物质被激活气相物质被激活等离子体扩散等离子体扩散等离子体产生等离子体产生反应沉积成膜反应沉积成膜气相物质被激活气相物质被激活等离子体扩散等离子体扩散等离子体产生等离子体产生3、PCVD的特点成膜温度低成膜温度低沉积速率高沉积速率高膜层结合力高膜层结合力高膜层质量好膜层质量好能进行根据热力学规律难以发生的反应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 射频射频等离子体 微波微波等离子体 脉冲脉冲等离子体直流等离子体法(DCPCVD)利用直流电等离子体激活化学反应，进行气相沉积的技术。DCPCVD装置示意图1-真空室2-工作台3-电源和控制系统4-红外测温仪5-真空计6-机械泵射频等离子体法(RFPCVD)利用射频辉光放电产生的等离子体激活化学反应进行气相沉积的技术。电感耦合和电容耦合是供应射频功率的两种基本耦合方式。射频传输是通过电路实现的，在放电空间建立的是纵向电场。射频法可用来沉积绝缘薄膜。微波等离子体法(MWPCVD)用微波放电产生等离子体激活化学反应进行气相沉积的技术。微波放电无电极，放电气压范围宽，能量转换率高，能产生高密度等离子体。微波等离子体比射频等离子体气体离子化高，放电非常稳定，等离子体可以不与器壁接触，有利于制备高质量薄膜。微波等离子体可在10Pa至大气压的压力范围内产生。MWPCVD装置示意图可进一步降低基材温度、原子的扩散能力，减少空位、错位等缺陷电极不会受到污染，受等离子体的破坏小，薄膜的完整性高适于制备低熔点和高温下不稳定的化合物薄膜PCVD的激发方式的工作参数及特性激发方式工艺参数特点沉积膜直流等离子体沉积温度/速率500-600/ 2-5m/h直流电压/4000V/16-49Am真空1.3310-100Pa反应温度低膜均匀附差性良好TiC射频等离子体沉积温度/速率300-500/ 1-3m/h频率13.56MHz射频功率500W反应温度低相同温度比CVD沉积速度快近2倍TiC(500)TiN(300)微波等离子体磁控管2450MHz微波反应气体活化程度高Si2N4脉冲等离子体沉积温度：室温激发温度10000K脉冲半周能耗1800-2700J沉积温度低膜厚均匀附着性良好膜硬度高、光滑，纯度不高金刚石5、PCVD的重要应用绝缘薄膜的PCVD沉积 在低温下沉积氮化硅、氧化硅或硅的氮氧化物一类的绝缘薄膜，对于超大规模集成芯片（VLSI）的生产是至关重要的。非晶和多晶硅薄膜的PCVD沉积金刚石和类金刚石的PCVD沉积等离子体聚合 等离子体聚合技术正越来越广泛的应用于开发具有界电特征、导电特性、感光特性、光电转换功能或储存器开关功能的等离子体聚合膜和一些重要的有机金属复合材料。 激光(诱导)化学气相沉(LCVD)u LCVD是指利用激光束的光子能量激发和促进化学反应，实现薄膜沉积的化学气相沉积技术。u按激光作用机制，可分为激光热解沉积和激光光解沉积两种。 热解机制：光子加热使在衬底上的气体热 解发生沉积 光解机制：靠光子能量直接使气体分解 （单光 子吸收）激光热解机制示意图激光光解机制示意图要求衬底对激光吸收系数较高大多要求能打断反应气体分子化学键的足够能量的光子紫外光LCVD装置示意图与常规与常规CVD相相比，比，LCVD可大可大大降低基材的温大降低基材的温度，可在不能度，可在不能承受高温度基承受高温度基材上合成薄膜材上合成薄膜与与PCVD相比，相比，LCVD可避免高能粒子辐照对薄膜可避免高能粒子辐照对薄膜的损伤，更好的控制薄膜的结构，提高薄膜的纯度的损伤，更好的控制薄膜的结构，提高薄膜的纯度uLCVD的应用 LCVD是近年来迅速发展的先进表面沉积技术，其应用前景广阔。在太阳能电池、超大规模集成电路、特殊的功能膜及光学膜、硬膜及超硬膜等方面都有重要的应用。 金属有机化合物化学气相沉(MOCVD)MOCVD是利用金属有机化合物热分解反应进行气相外延生长的方法，即把含有外延材料组分的金属有机化合物和氢化物（或其他反应气体）作为原料气体输运到反应室，在一定的温度下进行外延生长形成薄膜。金属有机化合物可在较低温度下热解或光解，沉积出金属、氧化物、氮化物、硫化物等，特别是化合物半导体无机膜（包括单晶体外延膜、多晶膜和非晶膜）。MOCVD可构成复合结构的表面膜，创造出新的功能材料。与常规CVD相比，MOCVD的特点主要是： 沉积温度低 能沉积单晶、多晶、非晶的多层和超薄膜 可大规模低成本制备复杂组分的薄膜和化合物 半导体材料 沉积速度慢，仅适宜沉积微米级的表面层 原料的毒性较大MOCVD的应用 MOCVD作为气相外延独特的沉积技术，主要应用于族及族半导体化合物材料的气相外延。除此之外，当衬底不能承受热CVD所需要的高温时，MOCVD也用于沉积各种金属、氧化物、硅化物和碳化物等涂层。四、CVD的现状和展望气相沉积膜附着力强，厚度均匀，质量好，沉积速率快，选材广，环境污染轻，可以满足许多现代工业、科学发展提出的新要求，因而发展相当迅速。它能制备耐磨膜、润滑膜、耐蚀膜、耐热膜、装饰膜以及磁性膜、光学膜、超导膜等功能膜，因而在机械制造工业电子、电器、通讯、航空航天、原子能、轻工等部门得到广泛的应用。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。