薄膜制備技術ppt課件

1、7. 薄膜制備技術薄膜制備技術 7.1 薄膜資料根底薄膜資料根底 7.1.1 薄膜的概念與分類薄膜的概念與分類 1. 薄膜資料的概念薄膜資料的概念 采用一定方法，使處于某種形狀的一種或幾種物質原資采用一定方法，使處于某種形狀的一種或幾種物質原資料料) )的基團以物理或化學方式附著于襯底資料外表，在襯底的基團以物理或化學方式附著于襯底資料外表，在襯底資料外表構成一層新的物質，這層新物質就是薄膜。資料外表構成一層新的物質，這層新物質就是薄膜。 簡而言之，薄膜是由離子、原子或分子的堆積過程構成的簡而言之，薄膜是由離子、原子或分子的堆積過程構成的二維資料。二維資料。2. 2. 薄膜分類薄膜分類 )(f

2、ilmsolidthin固固態(tài)態(tài)液液態(tài)態(tài)氣氣態(tài)態(tài)1 1物態(tài)物態(tài)2 2結晶態(tài)：結晶態(tài)： 集集合合體體組組成成，由由許許多多取取向向相相異異單單晶晶多多晶晶：在在一一襯襯底底上上生生長長質質外外延延在在單單晶晶基基底底上上同同質質和和異異單單晶晶：外外延延生生長長晶晶態(tài)態(tài)長長程程無無序序有有序序非非晶晶態(tài)態(tài)：原原子子排排列列短短程程、。、3 3化學角度化學角度 無無機機薄薄膜膜有有機機薄薄膜膜4 4組成組成 非非金金屬屬薄薄膜膜金金屬屬薄薄膜膜5 5物性物性 光光學學薄薄膜膜磁磁阻阻薄薄膜膜介介電電薄薄膜膜超超導導薄薄膜膜半半導導體體薄薄膜膜金金屬屬導導電電薄薄膜膜熱熱學學薄薄膜膜聲聲學學薄薄膜膜

3、硬硬質質薄薄膜膜q 厚度，決議薄膜性能、質量厚度，決議薄膜性能、質量q 通常，膜厚通常，膜厚 as 同質外延ae= as 張應變ae The strained film said: “We are all tired enough, please give us a break!Oh, it is more comfortable now, although a few of our colleagues are still suffering the pressure.應變能釋放出現(xiàn)刃位錯應變能釋放出現(xiàn)刃位錯The single said: “It is OK, my effort is t

4、o make all of you happy! Strain alter d spacings, while alter values原原 理：理： 在超高真空條件下，在超高真空條件下，將各組成元素的分子束將各組成元素的分子束流以一個個分子的方式流以一個個分子的方式放射到襯底外表，在適放射到襯底外表，在適當?shù)臏囟认峦庋佣逊e成當?shù)臏囟认峦庋佣逊e成膜。膜。 目前目前MBEMBE的膜厚控制程度到達單原子層，可用于制備超晶的膜厚控制程度到達單原子層，可用于制備超晶格、量子點，及格、量子點，及3-53-5族化合物的半導體器件。族化合物的半導體器件。應應 用用7 7 脈沖激光堆積脈沖激光堆積(PLD)(

5、PLD) 利用脈沖聚焦激光燒蝕靶材，使靶的部分在瞬間受高溫汽利用脈沖聚焦激光燒蝕靶材，使靶的部分在瞬間受高溫汽化，在真空室內的惰性氣體羽輝等離子體作用下活化，并堆化，在真空室內的惰性氣體羽輝等離子體作用下活化，并堆積到襯底的一種制膜方法。積到襯底的一種制膜方法。 2. 2. 蒸鍍用途蒸鍍用途q 適宜鍍制對結合強度要求不高的某些功能膜，如電極的適宜鍍制對結合強度要求不高的某些功能膜，如電極的導電膜、光學鏡頭用增透膜。導電膜、光學鏡頭用增透膜。q 蒸鍍合金膜時，較濺射成分難保證。蒸鍍合金膜時，較濺射成分難保證。q 鍍純金屬時速度快，鍍純金屬時速度快，90%為鋁膜。為鋁膜。q 鋁膜的用途廣泛，在制鏡

6、業(yè)替代銀，在集成電路鍍鋁進鋁膜的用途廣泛，在制鏡業(yè)替代銀，在集成電路鍍鋁進展金屬化后刻蝕出導線。展金屬化后刻蝕出導線。7.2.3 7.2.3 濺射鍍膜濺射鍍膜sputtering depositionsputtering deposition 1. 1. 工藝原理工藝原理濺射鍍膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轟擊鍍料外表，濺射鍍膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轟擊鍍料外表，使被轟擊出的粒子在基片上堆積的技術。使被轟擊出的粒子在基片上堆積的技術。1. 1. 工藝原理工藝原理濺射鍍膜有兩類濺射鍍膜有兩類 離子束由特制的離子源產生離子束由特制的離子源產生 離子源構造復雜，價錢昂貴離子源構造復雜，價錢

7、昂貴 用于分析技術和制取特殊薄膜用于分析技術和制取特殊薄膜 在真空室中，利用離子束轟擊靶外表，使濺射出的粒子在在真空室中，利用離子束轟擊靶外表，使濺射出的粒子在基片外表成膜?；獗沓赡?。離子束濺射：離子束濺射：離子束濺射：離子束濺射：氣體放電濺射氣體放電濺射離子束與磁控濺射結合鍍膜設備離子束與磁控濺射結合鍍膜設備 利用低壓氣體放電景象，產生等離子體，產生的正離子，利用低壓氣體放電景象，產生等離子體，產生的正離子，被電場加速為高能粒子，撞擊固體靶外表進展能量和被電場加速為高能粒子，撞擊固體靶外表進展能量和動量交換后，將被轟擊固體外表的原子或分子濺射出來，動量交換后，將被轟擊固體外表的原子或分子

8、濺射出來，堆積在襯底資料上成膜的過程。堆積在襯底資料上成膜的過程。氣體放電濺射氣體放電濺射+-整個過程僅進展動量轉換，無相變整個過程僅進展動量轉換，無相變堆積粒子能量大，堆積過程帶有清洗作用，薄膜附堆積粒子能量大，堆積過程帶有清洗作用，薄膜附著性好著性好薄膜密度高，雜質少薄膜密度高，雜質少膜厚可控性、重現(xiàn)性好膜厚可控性、重現(xiàn)性好可制備大面積薄膜可制備大面積薄膜設備復雜，堆積速率低。設備復雜，堆積速率低。2. 2. 工藝特點工藝特點離子束與磁控濺射結合鍍膜設備離子束與磁控濺射結合鍍膜設備3. 3. 濺射的物理根底濺射的物理根底輝光放電輝光放電 濺射鍍膜基于高能粒子轟擊靶材時的濺射效應。整個濺射濺

9、射鍍膜基于高能粒子轟擊靶材時的濺射效應。整個濺射過程是建立在輝光放電的根底上，使氣體放電產生正離子，過程是建立在輝光放電的根底上，使氣體放電產生正離子，并被加速后轟擊靶材的離子分開靶，堆積成膜的過程。并被加速后轟擊靶材的離子分開靶，堆積成膜的過程。 不同的濺射技術采用不同的輝光放電方式，包括：不同的濺射技術采用不同的輝光放電方式，包括：直流輝光放電直流輝光放電 直流濺射直流濺射射頻輝光放電射頻輝光放電射頻濺射射頻濺射 磁場中的氣體放電磁場中的氣體放電磁控濺射磁控濺射1直流輝光放電直流輝光放電 指在兩電極間加一定直流電壓時，兩電極間的稀薄氣體指在兩電極間加一定直流電壓時，兩電極間的稀薄氣體真空度

10、約為真空度約為13.3-133Pa13.3-133Pa產生的放電景象。產生的放電景象。直流輝光放電的伏安特性曲線直流輝光放電的伏安特性曲線AB AB 無光放電區(qū)無光放電區(qū)BC BC 湯森放電區(qū)湯森放電區(qū)CD CD 過渡區(qū)過渡區(qū)DE DE 正常輝光放電區(qū)正常輝光放電區(qū)EF EF 異常輝光放電區(qū)異常輝光放電區(qū)FG FG 弧光放電區(qū)弧光放電區(qū)2射頻輝光放電射頻輝光放電 指經過電容耦合在兩電極之間加上射頻電壓，而在電極指經過電容耦合在兩電極之間加上射頻電壓，而在電極之間產生的放電景象。電子在變化的電場中振蕩從而獲得之間產生的放電景象。電子在變化的電場中振蕩從而獲得能量，并且與原子碰撞產生離子和更多的電

11、子。能量，并且與原子碰撞產生離子和更多的電子。射頻放電的頻率范圍：射頻放電的頻率范圍：1-30MHz，工業(yè)用頻率為，工業(yè)用頻率為13.56MHz其特點是：其特點是：輝光放電空間產生的電子，獲得足夠的能量，足以產生輝光放電空間產生的電子，獲得足夠的能量，足以產生碰撞電離，減少對二次電子的依賴，降低擊穿電壓碰撞電離，減少對二次電子的依賴，降低擊穿電壓射頻電壓可以經過任何類型的阻抗耦合進去，所以，電射頻電壓可以經過任何類型的阻抗耦合進去，所以，電極無需是導體，可以濺射任何資料極無需是導體，可以濺射任何資料3電磁場中的氣體放電電磁場中的氣體放電 在放電電場空間加上磁場，放電空間中的電子就要圍在放電電場

12、空間加上磁場，放電空間中的電子就要圍繞磁力線作盤旋運動，其盤旋半徑為繞磁力線作盤旋運動，其盤旋半徑為eB/mveB/mv，磁場對放電，磁場對放電的影響效果，因電場與磁場的相互位置不同而有很大的差的影響效果，因電場與磁場的相互位置不同而有很大的差別。別。 4. 濺射特性參數(shù)濺射特性參數(shù)1濺射閾值濺射閾值2濺射率濺射率3濺射粒子的形狀、能量、速度濺射粒子的形狀、能量、速度4濺射粒子的角分布濺射粒子的角分布4. 濺射特性參數(shù)濺射特性參數(shù)1 1濺射閾值：濺射閾值： 使靶資料原子發(fā)生濺射所需的最小入射離子能量，低于使靶資料原子發(fā)生濺射所需的最小入射離子能量，低于該值不能發(fā)生濺射。大多數(shù)金屬該值為該值不能

13、發(fā)生濺射。大多數(shù)金屬該值為101020ev20ev。 2 2濺射率：濺射率： 正離子轟擊靶陰極時平均每個正離子能從靶材中打擊正離子轟擊靶陰極時平均每個正離子能從靶材中打擊出的粒子數(shù)，又稱濺射產額或濺射系數(shù)，出的粒子數(shù)，又稱濺射產額或濺射系數(shù)，S S。S = Ns / NiNi-Ni-入射到靶外表的粒子數(shù)入射到靶外表的粒子數(shù)Ns-Ns-從靶外表濺射出來的粒子數(shù)從靶外表濺射出來的粒子數(shù)定義定義影響要素影響要素 入射離子能量入射離子能量 靶材種類靶材種類 入射離子種類入射離子種類濺射率與靶材元素在周期表中的位置有關。濺射率與靶材元素在周期表中的位置有關。普通規(guī)律：濺射率隨靶材元素的原子序數(shù)增大而增大

14、普通規(guī)律：濺射率隨靶材元素的原子序數(shù)增大而增大CuCu、AgAg、Au Au 較大較大C C、SiSi、TiTi、V V、TaTa、W W等等 較小較小 濺射率依賴于入射離子的能量，相對原子質量越大，濺射率依賴于入射離子的能量，相對原子質量越大，濺射率越高。濺射率越高。 濺射率隨原子序數(shù)發(fā)生周期性變化，每一周期電子濺射率隨原子序數(shù)發(fā)生周期性變化，每一周期電子殼層填滿的元素具有最大的濺射率。殼層填滿的元素具有最大的濺射率。 惰性氣體的濺射率最高。惰性氣體的濺射率最高。 入射角入射角入射角是入射離子入射方向與被濺射靶材外表法線之間的夾角入射角是入射離子入射方向與被濺射靶材外表法線之間的夾角 濺射溫

15、度濺射溫度靶材靶材3 3濺射出的粒子濺射出的粒子 從靶材上被濺射下來的物質微粒，主要參數(shù)有：粒子形狀、從靶材上被濺射下來的物質微粒，主要參數(shù)有：粒子形狀、粒子能量和速度。粒子能量和速度。濺射粒子的形狀與入射離子的能量有關濺射粒子的形狀與入射離子的能量有關濺射粒子的能量與靶材、入射離子的種類和能量以及濺射粒子的能量與靶材、入射離子的種類和能量以及濺射粒子的方向性有關，其能量可比蒸發(fā)原子的能量濺射粒子的方向性有關，其能量可比蒸發(fā)原子的能量大大12個數(shù)量級。個數(shù)量級。4 4濺射粒子的角分布濺射粒子的角分布 濺射原子的角度分布符合濺射原子的角度分布符合KnudsenKnudsen的余弦定律。也與入射的

16、余弦定律。也與入射原子的方向性、晶體構造等有關。原子的方向性、晶體構造等有關。4. 4. 幾種典型的濺射鍍膜方法幾種典型的濺射鍍膜方法1直流濺射鍍膜直流濺射鍍膜靶材為陰極靶材為陰極基片置于陽極基片置于陽極極間電壓極間電壓1-2KV1-2KV真空度真空度1-1-幾百幾百PaPa放電氣體：放電氣體：ArAr只適用于導體只適用于導體+-也稱等離子弧柱濺射，在熱也稱等離子弧柱濺射，在熱陰極和輔助陽極之間構成低陰極和輔助陽極之間構成低電壓、大電流的等離子體弧電壓、大電流的等離子體弧柱，大量電子碰撞氣體電離，柱，大量電子碰撞氣體電離，產生大量離子。產生大量離子。2射頻濺射鍍膜射頻濺射鍍膜q 適用于導體、半

17、導適用于導體、半導體、絕緣體體、絕緣體 射頻是無線電波發(fā)射范圍的頻率，為防止干擾電臺任務，射頻是無線電波發(fā)射范圍的頻率，為防止干擾電臺任務，濺射公用頻率規(guī)定為濺射公用頻率規(guī)定為13.56MHz13.56MHz。q 缺缺 點點q 大功率射頻電源造大功率射頻電源造價昂貴價昂貴q 具有人身防護問題具有人身防護問題q 不適宜工業(yè)消費運不適宜工業(yè)消費運用用3磁控濺射鍍膜磁控濺射鍍膜 與直流濺射類似，不同之處在于陰極靶的后面設置磁場，與直流濺射類似，不同之處在于陰極靶的后面設置磁場，磁場在靶材外表構成閉合的環(huán)形磁場，與電場正交。磁場在靶材外表構成閉合的環(huán)形磁場，與電場正交。 等離子束縛在靶外等離子束縛在靶

18、外表表 電子作旋進運動，電子作旋進運動，使原子電離時機添加，使原子電離時機添加，能量耗盡后落在陽極，能量耗盡后落在陽極，基片溫升低、損傷小基片溫升低、損傷小磁場之作用：磁場之作用：4離子束濺射離子束濺射 采用單獨的離子源產生用于轟擊靶材的離子，原理見以下采用單獨的離子源產生用于轟擊靶材的離子，原理見以下圖。目前已有直徑圖。目前已有直徑10cm10cm的寬束離子源用于濺射鍍膜。的寬束離子源用于濺射鍍膜。優(yōu)點：優(yōu)點：轟擊離子的能量和轟擊離子的能量和束流密度獨立可控，束流密度獨立可控，基片不直接接觸等基片不直接接觸等離子體，有利于控離子體，有利于控制膜層質量。制膜層質量。缺陷：缺陷：速度太慢，不適宜

19、鍍制工件，工業(yè)上運用很難速度太慢，不適宜鍍制工件，工業(yè)上運用很難4. 濺射鍍膜的用途濺射鍍膜的用途光光聲聲磁磁電電物物理理功功能能膜膜抗抗蝕蝕耐耐熱熱耐耐磨磨、減減磨磨表表面面強強化化、固固體體潤潤滑滑機機械械功功能能膜膜q采用采用CrCr、Cr-CrNCr-CrN等合金靶，在等合金靶，在N2N2、CH4CH4等氣氛中進展反響濺射鍍膜，等氣氛中進展反響濺射鍍膜，可以在各種工件上鍍可以在各種工件上鍍CrCr425-840HV425-840HV、CrCCrC、CrNCrN1000-3500HV1000-3500HV，可替代電鍍可替代電鍍CrCr。q用用TiCTiC、TiNTiN等超硬鍍層涂覆刀具、

20、模具等外表，摩擦系數(shù)小、化學等超硬鍍層涂覆刀具、模具等外表，摩擦系數(shù)小、化學穩(wěn)定性好，具優(yōu)良的耐磨、耐熱、抗氧化、抗沖蝕，在提高其工件穩(wěn)定性好，具優(yōu)良的耐磨、耐熱、抗氧化、抗沖蝕，在提高其工件特性的同時，大幅度提高壽命，普通可達特性的同時，大幅度提高壽命，普通可達3-103-10倍。倍。q用用TiCTiC、TiNTiN，Al2O3Al2O3具有良好的耐蝕性。具有良好的耐蝕性。q可制取優(yōu)良的固體光滑膜可制取優(yōu)良的固體光滑膜MoS2.MoS2.q可制備聚四氟乙烯膜?？芍苽渚鬯姆蚁┠ぁ?.2.4 7.2.4 離子成膜離子成膜1. 離子鍍及其原理：離子鍍及其原理： 真空蒸發(fā)與濺射結合的鍍膜技術，在鍍

21、膜的同時，采用帶真空蒸發(fā)與濺射結合的鍍膜技術，在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊基片外表和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時進能離子轟擊基片外表和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時進展的鍍膜技術。展的鍍膜技術。 即利用氣體放電產生等離子體，同時，將膜層資料蒸發(fā)，即利用氣體放電產生等離子體，同時，將膜層資料蒸發(fā)，一部分物質被離化，在電場作用下轟擊襯底外表清洗襯一部分物質被離化，在電場作用下轟擊襯底外表清洗襯底，一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，堆積于襯底外表成底，一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，堆積于襯底外表成膜。膜。 真空度真空度 放電氣體種類與壓強放電氣體種類與壓強 蒸發(fā)源物質供應速率與蒸汽流大小蒸發(fā)源物質供應速

22、率與蒸汽流大小 襯底負偏壓與離子電流襯底負偏壓與離子電流 襯底溫度襯底溫度 襯底與蒸發(fā)源的相對間隔。襯底與蒸發(fā)源的相對間隔。 主要影響要素：主要影響要素： 真空蒸鍍、濺射、離子鍍三種不同的鍍膜技術，入射到真空蒸鍍、濺射、離子鍍三種不同的鍍膜技術，入射到基片上的堆積粒子所帶的能量不同?；系亩逊e粒子所帶的能量不同。真空蒸鍍：熱蒸鍍原子約真空蒸鍍：熱蒸鍍原子約0.2 eV濺射：濺射原子約濺射：濺射原子約1-50 eV離子鍍：轟擊離子約幾百到幾千離子鍍：轟擊離子約幾百到幾千eV離子鍍的目的：離子鍍的目的：提高膜層與基片之間的結合強度。離子轟擊可消除污染、提高膜層與基片之間的結合強度。離子轟擊可消除

23、污染、還能構成共混過渡層、實現(xiàn)冶金結合、涂層致密。還能構成共混過渡層、實現(xiàn)冶金結合、涂層致密。蒸鍍和濺射都可以開展為離子鍍。蒸鍍和濺射都可以開展為離子鍍。 例如，蒸鍍時在基片上加上負偏壓，即可產生輝光放電，例如，蒸鍍時在基片上加上負偏壓，即可產生輝光放電，數(shù)百數(shù)百eV能量的離子轟擊基片，即為二極離子鍍。見以下圖。能量的離子轟擊基片，即為二極離子鍍。見以下圖。2 2 離子鍍的類型和特點離子鍍的類型和特點 離子鍍設備在真空、氣體放電的情況下完成鍍膜和離子轟擊離子鍍設備在真空、氣體放電的情況下完成鍍膜和離子轟擊過程，離子鍍設備由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化安裝、過程，離子鍍設備由真空室、蒸發(fā)源、高

24、壓電源、離化安裝、放置工件的陰極等部分組成。放置工件的陰極等部分組成。1 空心陰極離子鍍空心陰極離子鍍HCD國內外常見的設備類型如下國內外常見的設備類型如下HCD法利用空心熱陰極的弧光法利用空心熱陰極的弧光放電產生等離子體空心鉭管為放電產生等離子體空心鉭管為陰極，輔助陽極陰極，輔助陽極鍍料是陽極鍍料是陽極弧光放電時，電子轟擊陽極鍍料，弧光放電時，電子轟擊陽極鍍料，使其熔化而實現(xiàn)蒸鍍使其熔化而實現(xiàn)蒸鍍蒸鍍時基片上加負偏壓即可從等蒸鍍時基片上加負偏壓即可從等離子體中吸引離子體中吸引Ar離子向基片轟擊，離子向基片轟擊，實現(xiàn)離子鍍實現(xiàn)離子鍍2多弧離子鍍多弧離子鍍原原 理：理： 多弧離子鍍是采用電弧放電

25、的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金多弧離子鍍是采用電弧放電的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬，安裝無需熔池，原理如下圖。電弧的引燃依托引弧陽極與陰極的觸屬，安裝無需熔池，原理如下圖。電弧的引燃依托引弧陽極與陰極的觸發(fā)，弧光放電僅僅在靶材外表的一個或幾個密集的弧斑處進展。發(fā)，弧光放電僅僅在靶材外表的一個或幾個密集的弧斑處進展?；“咧睆叫∮诨“咧睆叫∮?00um?；“唠娏髅芏然“唠娏髅芏?05-107A/cm2溫度溫度8000-40000K弧斑噴出的物質包括電子、離子、原子和液滴。大弧斑噴出的物質包括電子、離子、原子和液滴。大部分為離子。部分為離子。特特 點：直接從陰極產生等離子體，不用熔池

26、，陰極靶點：直接從陰極產生等離子體，不用熔池，陰極靶可根據(jù)工件外形在恣意方向布置，使夾具大為簡化?？筛鶕?jù)工件外形在恣意方向布置，使夾具大為簡化。3離子束輔助堆積離子束輔助堆積低能的離子束低能的離子束1 1用于轟擊靶用于轟擊靶材，使靶材原子濺射并堆積材，使靶材原子濺射并堆積在基底上；在基底上；離子束離子束2 2起轟擊注入作起轟擊注入作用，同時，可在室溫或近似用，同時，可在室溫或近似室溫下合成具有良好性能的室溫下合成具有良好性能的 合金、化合物、特種膜層，合金、化合物、特種膜層，以滿足對資料外表改性的需以滿足對資料外表改性的需求。求。4離子鍍的運用離子鍍的運用7.3 7.3 化學成膜化學成膜 有化

27、學反響的運用與參與，利用物質間的化學反響實現(xiàn)薄有化學反響的運用與參與，利用物質間的化學反響實現(xiàn)薄膜生長的方法。膜生長的方法。 化學氣相堆積化學氣相堆積(CVD (CVD Chemical Vapor Deposition ) Chemical Vapor Deposition )液相反響堆積液相反響堆積( (液相外延液相外延) )7.3.1 7.3.1 化學氣相堆積化學氣相堆積q 氣相堆積的根本過程包括三個步驟：即提供氣相鍍料；鍍氣相堆積的根本過程包括三個步驟：即提供氣相鍍料；鍍料向鍍制的工件或基片保送；鍍料堆積在基片上構成膜層料向鍍制的工件或基片保送；鍍料堆積在基片上構成膜層q 氣相堆積過程

28、中堆積粒子來源于化合物的氣相分解反響，氣相堆積過程中堆積粒子來源于化合物的氣相分解反響，因此，稱為化學氣相堆積因此，稱為化學氣相堆積CVD，否那么，稱為物理，否那么，稱為物理氣相堆積氣相堆積PVD。q CVD與與PVD的不同處：堆積粒子來源于化合物的氣相分的不同處：堆積粒子來源于化合物的氣相分解反響解反響1. 化學氣相堆積的根本概念化學氣相堆積的根本概念1 1原原 理理TiCl4 +CH4 TiC +4HCl2 2 CVDCVD薄膜生長過程薄膜生長過程反響氣體向襯底外表輸運分散；反響氣體向襯底外表輸運分散；反響氣體在襯底外表吸附；反響氣體在襯底外表吸附；襯底外表氣體間的化學反響，生成固態(tài)和氣態(tài)

29、產物，襯底外表氣體間的化學反響，生成固態(tài)和氣態(tài)產物，固態(tài)生成物粒子經外表分散成膜；固態(tài)生成物粒子經外表分散成膜；氣態(tài)生成物由內向外分散和外表解吸；氣態(tài)生成物由內向外分散和外表解吸；氣態(tài)生成物向外表區(qū)外的分散和排放。氣態(tài)生成物向外表區(qū)外的分散和排放。3 CVD條件與影響要素條件與影響要素1CVD條件條件除堆積的薄膜外，反響生成物均須是氣態(tài)除堆積的薄膜外，反響生成物均須是氣態(tài)堆積薄膜的蒸汽壓要足夠低堆積薄膜的蒸汽壓要足夠低反響只在襯底及其附近進展反響只在襯底及其附近進展堆積溫度下，襯底資料的蒸汽壓足夠低堆積溫度下，襯底資料的蒸汽壓足夠低襯底外表要有足夠的反響氣體供應襯底外表要有足夠的反響氣體供應2

30、影響要素影響要素堆積溫度；反響氣體配比；襯底堆積溫度；反響氣體配比；襯底4 分分 類類v 通常通常CVDCVD的反響溫度范圍分為低溫的反響溫度范圍分為低溫200-500 200-500 、中、中溫溫500-1000 500-1000 、高溫、高溫1000-1300 1000-1300 ；v 中溫中溫CVDCVD的反響溫度的反響溫度500-800 500-800 ，通常經過金屬有機化合，通常經過金屬有機化合物在較低溫度的分解來實現(xiàn)，也叫金屬有機化合物物在較低溫度的分解來實現(xiàn)，也叫金屬有機化合物CVDCVDMOCVDMOCVD；v 等離子體加強等離子體加強CVDCVDPCVDPCVD、激光、激光C

31、VDCVDLCVDLCVD中化學反中化學反響被激活可使溫度降低。響被激活可使溫度降低。2. CVD2. CVD的化學反響和特點的化學反響和特點反應方式反應方式特點特點反應舉例反應舉例熱分解反應熱分解反應在簡單的單溫區(qū)爐中，在真在簡單的單溫區(qū)爐中，在真空或惰性氣氛中加熱襯底至空或惰性氣氛中加熱襯底至一定溫度，通入反應氣體，一定溫度，通入反應氣體，流經襯底表面的反應氣在襯流經襯底表面的反應氣在襯底表面分解，產生所需的固底表面分解，產生所需的固態(tài)生成物沉積于襯底上形成態(tài)生成物沉積于襯底上形成薄膜。主要反應物材料有：薄膜。主要反應物材料有：金屬有機化合物、氫化物，金屬有機化合物、氫化物，金屬鹵化物，硼

32、的氯化物、金屬鹵化物，硼的氯化物、氫化物，氫化物，族氫化物、氯化族氫化物、氯化物，物，族的羰基氫化物、氯族的羰基氫化物、氯化物及一些氣態(tài)絡合物、化化物及一些氣態(tài)絡合物、化合物等。合物等。SiH4 SiSi + 2H + 2H2Ga(CH3)3 +AsH3 GaAs + CH4AlCl3.NH3 AlN + 3HCl700-1000 630-675 800-1000 反應方式反應方式特點特點反應舉例反應舉例合成反應合成反應由兩種和兩種以上氣態(tài)反應由兩種和兩種以上氣態(tài)反應物在熱的襯底表面發(fā)生反應，物在熱的襯底表面發(fā)生反應，生成且只生成一種固態(tài)生成生成且只生成一種固態(tài)生成物。它與熱解相對。一般，物。

33、它與熱解相對。一般，涉及兩種以上反應物的涉及兩種以上反應物的CVD反應均可認為是合成反應，反應均可認為是合成反應，如氧化反應、還原反應。如氧化反應、還原反應。3SiCl4 +4NH3 SiSi3N N4 +12HCl +12HCl2TiCl4 +N2 +4H2 2TiN + 8HCl氧化還原反應氧化還原反應氧化和還原兩種反應的統(tǒng)稱，氧化和還原兩種反應的統(tǒng)稱，在反應中涉及到元素化合價在反應中涉及到元素化合價的升降。一些熱分解反應也的升降。一些熱分解反應也屬于此類屬于此類SiHCl3 +H2 SiSi + 3HCl + 3HClSiH2Cl2 SiSi + 2HCl + 2HCl水解反應水解反應以

34、水汽與氣態(tài)源物質反應，以水汽與氣態(tài)源物質反應，生成固態(tài)氧化物生成固態(tài)氧化物SiCl4 +2H2O SiOSiO2 +4HCl +4HCl形成氮化物形成氮化物3SiH4 +4NH3 SiSi3N N4 +12HCl +12HCl800-1000 350-900 1100-1200 1050 反應方式反應方式特點特點反應舉例反應舉例形成碳化物形成碳化物TiCl4 +CH4 TiC +4HCl +4HCl歧化反應歧化反應元素在汽相中存在兩種價態(tài)，元素在汽相中存在兩種價態(tài)，利用反應中價態(tài)的改變，實利用反應中價態(tài)的改變，實現(xiàn)物質的沉積現(xiàn)物質的沉積Si(s) +SiI4(g) 2SiISiI2 2 3Ga

35、I + As2 2GaAs + GaI + GaI3 33GaCl 3GaCl 2Ga + GaCl3MO反應反應以金屬有機化合物為原料，以金屬有機化合物為原料，在較低沉積溫度反應，制備在較低沉積溫度反應，制備薄膜薄膜Ga(CH3)3 +AsH3 GaAs + 3CH4反應方式反應方式特點特點反應舉例反應舉例化學輸運反化學輸運反應應以目標沉積物為源物質，某以目標沉積物為源物質，某種氣體介質（輸運劑）與其種氣體介質（輸運劑）與其在源區(qū)反應生成氣態(tài)化合物，在源區(qū)反應生成氣態(tài)化合物，該化合物經載氣攜帶或化學該化合物經載氣攜帶或化學遷移輸運到沉積區(qū)（該區(qū)溫遷移輸運到沉積區(qū)（該區(qū)溫度與源區(qū)不同），并在襯

36、底度與源區(qū)不同），并在襯底上發(fā)生逆反應，重新生成目上發(fā)生逆反應，重新生成目標物，在襯底上沉積。這一標物，在襯底上沉積。這一反應過程稱為化學輸運反應反應過程稱為化學輸運反應6GaAs(s) + 6HCl(g) As4 + As2 +GaCl + 3H2 等離子體激等離子體激發(fā)反應發(fā)反應SiH4 + 4/3N 1/3Si3N4 光激發(fā)反應光激發(fā)反應SiH4 + 4/3NH3 1/3Si3N4 + 2H + 2H2T1T2h3. CVD方法與安裝方法與安裝1流通式流通式CVD組組 成成q 氣體凈化系統(tǒng)氣體凈化系統(tǒng)q 氣體丈量與控制系統(tǒng)氣體丈量與控制系統(tǒng)q 反響器反響器q 尾氣處置系統(tǒng)尾氣處置系統(tǒng)q

37、抽真空系統(tǒng)抽真空系統(tǒng)特特 點點q 反響氣延續(xù)供應、氣態(tài)產物延續(xù)排放，反響非平衡反響氣延續(xù)供應、氣態(tài)產物延續(xù)排放，反響非平衡q 惰性氣體為輸運載氣惰性氣體為輸運載氣q 反響氣壓普通為一大氣壓反響氣壓普通為一大氣壓2封鎖式封鎖式CVD在封鎖環(huán)境進展反響，與外界無質量交換。在封鎖環(huán)境進展反響，與外界無質量交換。特特 點點q 堅持真空度、無需延續(xù)抽氣，不易被外界污染堅持真空度、無需延續(xù)抽氣，不易被外界污染q 可用于高蒸汽壓物質的堆積可用于高蒸汽壓物質的堆積q 資料生長率小、消費本錢高資料生長率小、消費本錢高3 3常壓常壓CVDCVDq 反響器內壓強近于大氣壓，其它條件與普通反響器內壓強近于大氣壓，其它

38、條件與普通CVDCVD一樣。一樣。q 普通分流通式和封鎖式兩種反響器。普通分流通式和封鎖式兩種反響器。q 多用于半導體集成電路制造多用于半導體集成電路制造4 4低壓低壓CVDCVDq 任務氣壓任務氣壓10-1000Pa10-1000Pa。q 普通分流通式和封鎖式兩種反響器。普通分流通式和封鎖式兩種反響器。q 多用于半導體集成電路制造多用于半導體集成電路制造5 5觸媒觸媒CVDCVD熱絲熱絲CVDCVDv Cat CVD反響器組成：反響器組成：v 供氣系統(tǒng)、反響鐘罩、熱絲電極、真空抽氣系統(tǒng)供氣系統(tǒng)、反響鐘罩、熱絲電極、真空抽氣系統(tǒng)v 原原 理理在一定真空度下，反響在一定真空度下，反響氣體進入鐘罩

39、，流過熱氣體進入鐘罩，流過熱絲；絲；熱絲釋放的熱電子使氣熱絲釋放的熱電子使氣體原子由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)體原子由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)或離化態(tài)或離化 ，并相互反響，并相互反響生成所需固態(tài)反響物，生成所需固態(tài)反響物，堆積于基底堆積于基底觸媒觸媒CVDCVD的主要參數(shù)的主要參數(shù)熱絲溫度或熱絲電流熱絲溫度或熱絲電流熱絲溫場分布熱絲溫場分布熱絲與襯底間的間隔熱絲與襯底間的間隔反響氣體及載氣流量反響氣體及載氣流量襯底溫度襯底溫度觸媒觸媒CVDCVD的特點的特點設備簡單，操作簡便設備簡單，操作簡便高的熱絲溫度有利于氣體原子的的激發(fā)，反響部分高的熱絲溫度有利于氣體原子的的激發(fā)，反響部分能量較高能量較高可經過流量計控制氣體流

40、量，從而控制反響速度可經過流量計控制氣體流量，從而控制反響速度生長速度較快生長速度較快熱絲在高溫下會蒸發(fā)而呵斥薄膜的污染熱絲在高溫下會蒸發(fā)而呵斥薄膜的污染熱絲熱絲CVDCVD常用于金剛石、立方氮化硼等薄膜的合成常用于金剛石、立方氮化硼等薄膜的合成6 6等離子體等離子體CVDCVDPECVDPECVD 將等離子體引入將等離子體引入CVDCVD技術。等離子體中的電子與分子原技術。等離子體中的電子與分子原子碰撞，可以使分子在低溫下即成為激發(fā)態(tài)，實現(xiàn)原子間子碰撞，可以使分子在低溫下即成為激發(fā)態(tài)，實現(xiàn)原子間在低溫下的化合。在低溫下的化合。原原 理理等離子體對等離子體對CVD的作用的作用將反響氣體激發(fā)為活性離子，降低反響所需溫度將反響氣體激發(fā)為活性離子，降低反響所需溫度加速反響物的外表遷移率，提高成膜速率