化學氣相沉積

化學氣相沉積第一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五表2.4CVD和PVD方法的比較項

目PVDCVD物質(zhì)源生成膜物質(zhì)的蒸氣，反應氣體含有生成膜元素的化合物蒸氣，反應氣體等激活方法消耗蒸發(fā)熱，電離等提供激活能，高溫，化學自由能制作溫度250~2000℃（蒸發(fā)源）25℃至合適溫度（基片）150~2000℃（基片）成膜速率5~25025~1500用途裝飾，電子材料，光學材料精制，裝飾，表面保護，電子材料可制作薄膜的材料所有固體（C、Ta、W困難）、鹵化物和熱穩(wěn)定化合物堿及堿土類以外的金屬（Ag、Au困難）、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、金屬化合物、合金第二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五化學氣相沉積技術(shù)的優(yōu)點

由于CVD法是利用各種氣體反應來制成薄膜，所以可任意控制薄膜組成，從而制得許多新的膜材。采用CVD法制備薄膜時，其生長溫度顯著低于薄膜組成物質(zhì)的熔點，所得膜層均勻性好，具有臺階覆蓋性能，適宜于復雜形狀的基板。由于其具有淀積速率高、膜層針孔少、純度高、致密、形成晶體的缺陷較少等特點，因而化學氣相沉積的應用范圍非常廣泛。第三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五用于CVD化學反應的幾種類型

CVD法可制成各種薄膜和形成不同薄膜組成，能制備出單質(zhì)、化合物、氧化物和氮化物等薄膜。在CVD法中應用了許多化學反應。運用各種反應方式，選擇相應的溫度、氣體組成、濃度、壓力等參數(shù)就能得到各種性質(zhì)的薄膜。最早采用的CVD化學反應方式是用于金屬精制的氫還原、化學輸送反應等?，F(xiàn)在得到應用的反應方式有加熱分解、氧化、與氨反應、等離子體激發(fā)等，也開發(fā)激發(fā)的CVD法。下面概述這些反應方式的特性。第四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五（1）熱分解反應

現(xiàn)在熱分解法制備薄膜的典型應用是半導體中的外延薄膜制備、多晶硅薄膜制備等。甲硅烷（SiH4）在低溫下容易分解，可在基片上形成硅薄膜。第五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五（2）還原反應

a.氫還原反應

氫還原反應的典型應用是半導體技術(shù)中的外延生長。使用氫還原反應可以從相應的鹵化物制作出硅、鍺、鉬、鎢等半導體和金屬薄膜。氫還原反應不同于熱分解反應，是可逆的。因而，反應溫度、氫與反應氣體的濃度比、壓力等都是很重要的反應參數(shù)。第六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五（b）由金屬產(chǎn)生的還原反應

這種反應是還原鹵化物，用其他金屬置換硅的反應。在半導體器件制造中還未得到應用，但已用于硅的精制上。第七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五（3）氧化反應、氮化反應、碳化反應制備氧化物、氮化物、碳化物

氧化反應主要用于在基片上制備氧化物薄膜。氧化物薄膜有SiO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5等。一般使用這些膜材料的相應鹵化物、氧氯化物、氫化物、有機化合物等與各種氧化劑反應制作薄膜。制備SiO2薄膜一般采用氧化SiH4的方法。第八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五（4）由基片產(chǎn)生的還原反應

這種反應發(fā)生在基片表面上，反應氣體被基片表面還原生成薄膜。典型的反應是鎢的氟化物與硅。在硅表面上與硅發(fā)生如下反應，鎢被硅置換，沉積在硅上，這時如有氫存在，反應也包含有氫還原：

第九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五（5）化學輸送反應這種反應在高溫區(qū)被置換的物質(zhì)構(gòu)成鹵化物或者與鹵素反應生成低價鹵化物。它們被輸送到低溫區(qū)域，在低溫區(qū)域由非平衡反應在基片上形成薄膜。

這種反應不僅用于硅膜制取，而且用于制備Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體，此時把鹵化氫作為引起輸送反應的氣體使用。

第十頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五（6）復雜化學反應除上述六類反應外，另外還有等離子體激發(fā)反應，光激發(fā)反應以及激光激發(fā)反應等。第十一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五二、

化學氣相沉積的類型

CVD技術(shù)可按照沉積溫度、反應器內(nèi)的壓力、反應器壁的溫度和沉積反應的激活方式進行分類。（1）按沉積溫度可分為低溫（200~500℃）、中溫（500~1000℃）和高溫（1000~1300℃）CVD。（2）按反應器內(nèi)的壓力可分為常壓CVD和低壓CVD。（3）按反應器壁的溫度可分為熱壁方式和冷壁方式CVD。（4）按反應激活方式可分為熱激活和等離子體激活CVD等。

第十二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五三、CVD的工藝方法及特點

各種CVD裝置都包括以下主要部分，即加熱部分，反應室，氣體控制系統(tǒng)，氣體排出系統(tǒng)，如圖2.5所示。第十三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五第十四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五圖2.6為幾種CVD反應器示意圖

(a)立式開管CVD裝置；

(b)轉(zhuǎn)筒式開管CVD裝置；

(c)臥式開管CVD裝置；（d）閉管CVD裝置第十五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五

開管系統(tǒng)一般由反應器、氣體凈化系統(tǒng)、氣體計量控制、排氣系統(tǒng)及尾氣處理等幾部分組成。其主要特點是能連續(xù)地供氣和排氣，整個沉積過程氣相副產(chǎn)物不斷被排出，有利于沉積薄膜的形成；而且工藝易于控制，成膜厚度均勻，重現(xiàn)性好，工件容易取放，同一裝置可反復使用。開管法通常在常壓下進行，但也可在真空下進行。第十六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五閉管反應器使源物質(zhì)端處于高溫區(qū)，生長端位于低溫區(qū)，在精確控制的溫度范圍內(nèi)進行化學輸運反應沉積。閉管法的優(yōu)點是反應物與生成物不會被污染，不必連續(xù)抽氣就可以保持反應器內(nèi)的真空，對于必須在真空條件進行的沉積十分方便。但其缺點是沉積速率慢，不適于批量生產(chǎn)，且反應管（一般為高純石英管）只能使用一次，生產(chǎn)成本高。

第十七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五（2）源物質(zhì)的確定

CVD最理想的源物質(zhì)是氣態(tài)源物質(zhì)，其流量調(diào)節(jié)方便測量準確，又無需控制其溫度，可使沉積系統(tǒng)大為簡化。所以，只要條件允許，總是優(yōu)先采用氣態(tài)源。在沒有合適氣態(tài)源的情況下，可采用高蒸氣壓的液態(tài)物質(zhì)。如AsCl3、PCl3、SiCl4等，用載氣體（如H2、He、Ar）流過液體表面或在液體內(nèi)部鼓泡，攜帶其飽和蒸氣進入反應系統(tǒng)。在既無合適的氣態(tài)源又無具有較高蒸氣壓的液態(tài)源的情況下，就只得采用固體或低蒸氣壓的液體為源物質(zhì)了，通常是選擇合適的氣態(tài)物質(zhì)與之發(fā)生氣-固或氣-液反應，形成適當?shù)臍鈶B(tài)組分向沉積區(qū)輸送。第十八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五（3）重要的工藝參數(shù)

CVD中影響薄膜質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有反應氣體組成、工作氣壓、基板溫度、氣體流量及原料氣體的純度等。其中溫度是最重要的影響因素。由于不同反應體系沉積機制不同，沉積溫度對不同沉積反應影響的程度是不同的。而對于同一反應體系，不同的沉積溫度將決定沉積材料是單晶、多晶、無定形物，甚至不發(fā)生沉積。一般說來，沉積溫度的升高對表面過程的影響更為顯著。第十九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五四、CVD工藝的特點和應用

CVD制備薄膜的優(yōu)點突出，既可以沉積金屬薄膜，又可以制取非金屬薄膜，且成膜速率快，同一爐中可放置大量基板或工件；

CVD的繞射性好，對于形狀復雜的表面或工件的深孔、細孔等都能均勻覆膜；由于成膜溫度高，反應氣體、反應產(chǎn)物和基體的相互擴散，使膜的殘余應力小，附著力好，且膜致密，結(jié)晶良好；另外，CVD是在高飽和度下進