氣相沉積技術(shù)課件

氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)概述物理氣相沉積化學(xué)氣相沉積小結(jié)四一二三一、氣相沉積技術(shù)概述

氣相沉積技術(shù)是一種在基體上形成一層功能膜的技術(shù)，利用氣相之間的反應(yīng)，在各種材料或制品表面沉積單層或多層薄膜，從而使材料或制品獲得所需的各種優(yōu)異性能。物理氣相沉積(PVD)氣相沉積技術(shù)化學(xué)氣相沉積(CVD)區(qū)別在于：反應(yīng)物的來源是否經(jīng)過化學(xué)變化。項目物理氣相沉積(PVD)化學(xué)氣相沉積(CVD)物質(zhì)源生成膜物質(zhì)的蒸氣，反應(yīng)氣體含有生成膜元素的化合物蒸氣，反應(yīng)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(xué)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5~250um/h25~1500um/h用途裝飾，電子材料，光學(xué)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PVD和CVD的對比二、物理氣相沉積

物理氣相沉積（

PhysicalVaporDeposition，PVD)指的是利用某種物理的過程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子束轟擊時物理表面原子的濺射現(xiàn)象，實現(xiàn)物質(zhì)從原物質(zhì)到薄膜的可控的原子轉(zhuǎn)移過程。PVD法已廣泛用于機械、航空、電子、輕工和光學(xué)等工業(yè)部門中制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、磁性、光學(xué)、裝飾、潤滑、壓電和超導(dǎo)等各種鍍層，已成為國內(nèi)外近20年來爭相發(fā)展和采用的先進(jìn)技術(shù)之一。

主要分類：

----蒸發(fā)（熱化、電子束、RF）

----濺射（RF、DC、磁控）

----其它方法（脈沖激光沉積、分子束延展、離子鍍）2.1熱蒸鍍法：熱蒸鍍法（ThermalEvaporationDeposition）是利用升高薄膜材料溫度，使其有固體溶解然后氣化（或直接由固體升華為氣體），氣態(tài)薄膜材料之原子或分子同時因具有加溫后之動能而飛向基板沉積為固體薄膜。有下列幾種不同的加熱方式：1.熱電阻加熱法（ResitiveHeating）2.電子槍蒸鍍法（ElectronBeamGunEvaporation）3.雷射蒸鍍法（LaserDeposition）4.分子束磊晶成長法（MolecularBeamEpitaxy）定義2.1熱蒸鍍法7常用的幾種加熱器形狀絲狀舟狀坩堝2.2濺鍍法濺鍍法（SputteringDeposition）：在低真空度中及高電壓下產(chǎn)生輝光放電形成電漿，攜帶能量之正離子飛向陰極轟擊陰極之薄膜材料（靶材，Target）表面而將靶材之原子或分子撞擊出且沉積在基板上。蒸鍍法和濺鍍法的比較蒸鍍法濺鍍法靶材的選擇受限制（金屬靶材）幾乎不受限基材加熱低除磁控法外，需高溫表面損害低，電子束產(chǎn)生X-ray損害離子轟擊的損害合金沉積否可均勻度難易沉積種類一次只能沉積一種薄膜可以沉積多層膜附著性不佳佳薄膜性質(zhì)不易控制可利用調(diào)偏壓、壓力、基材加熱來控制基本設(shè)備費低價格昂貴物理氣相沉積小結(jié)三、化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積法（chemicalvapordeposition,CVD)是通過化學(xué)反應(yīng)的方式，利用加熱、等離子激勵或光輻射等各種能源，在反應(yīng)器內(nèi)使氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在氣相或氣固界面上經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)沉積物的技術(shù)1.熱解反應(yīng)（pyrolyticreaction）2.

還原反應(yīng)（reductionreaction）3.氧化反應(yīng)(reductionreaction)4.置換反應(yīng)(displacementreaction)5.岐化反應(yīng)(disproportionationreaction)6.氣相運輸(vaportransportation)3.1

化學(xué)氣相沉積中的化學(xué)反應(yīng)類型133.1.1熱解反應(yīng)

熱分解反應(yīng)是最簡單的沉積反應(yīng)，利用熱分解反應(yīng)沉積材料一般在簡單的單溫區(qū)爐中進(jìn)行，其過程通常是首先在真空或惰性氣氛下將襯底加熱到一定溫度，然后導(dǎo)入反應(yīng)氣態(tài)源物質(zhì)使之發(fā)生熱分解，最后在襯底上沉積出所需的固態(tài)材料。熱分解反應(yīng)可應(yīng)用于制備金屬、半導(dǎo)體以及絕緣材料等。如：SiH4熱解沉積多晶Si和非晶Si的反應(yīng)(650°C)在傳統(tǒng)的鎳提純過程中使用的羰基鎳（nickel）熱解生成金屬Ni(180°C)143.1.2還原反應(yīng)

許多元素的鹵化物、羥基化合物、鹵氧化物等雖然也可以氣態(tài)存在，但它們具有相當(dāng)?shù)臒岱€(wěn)定性，因而需要采用適當(dāng)?shù)倪€原劑才能將其置換出來。如利用H2還原SiCl4制備單晶硅外延層的反應(yīng)（1200°C）各種難熔金屬如W、Mo等薄膜的制備反應(yīng)（300°C）說明：適用于作為還原劑的氣態(tài)物質(zhì)中H2最容易得到，因而利用得最多的是H2。153.1.3氧化反應(yīng)

與還原反應(yīng)相反，利用O2作為氧化劑對SiH4進(jìn)行的氧化反應(yīng)為另外，還可以利用實現(xiàn)SiO2的沉積。

這兩種方法各應(yīng)用于半導(dǎo)體絕緣層和光導(dǎo)纖維原料的沉積。前者要求的沉積溫度低，而后者的沉積溫度可以很高，但沉積速度要求較快。163.1.4置換反應(yīng)

只要所需物質(zhì)的反應(yīng)先驅(qū)物可以氣態(tài)存在并且具有反應(yīng)活性，就可以利用化學(xué)氣相沉積的方法沉積其化合物。如各種碳、氮、硼化物的沉積（1400°C）（750°C）173.1.5歧化反應(yīng)

某些元素具有多種氣態(tài)化合物，其穩(wěn)定性各不相同，外界條件的變化往往可促使一種化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定性較高的另一種化合物?？衫闷缁磻?yīng)實現(xiàn)薄膜的沉積，如（300-600°C）

反應(yīng)特點：

1、GeI2和GeI4中的Ge分別是以+2價和+4價存在的；

2、提高溫度有利于GeI2的生成。183.1.6氣相運輸

當(dāng)某一物質(zhì)的升華溫度不高時，可以利用其升華和冷凝的可逆過程實現(xiàn)其氣相沉積。

例如：（T1，T2）

在沉積裝置中，處于較高溫度T1的CdTe發(fā)生升華，并被氣體夾帶輸運到處于較低溫度T2的襯底上發(fā)生冷凝沉積。3.2化學(xué)氣相沉積模式及原理過程20

CVD過程化學(xué)氣相沉積原理VaporizationandtransportofprecursormoleculesintoreactorDiffusionofprecursormoleculestosurfaceAdsorptionofprecursormoleculestosurfaceDecompositionofprecursormoleculesonsurfaceandincorporationintosolidfilmsRecombinationofmolecularbyproductsanddesorptionintogasphase化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中沉積薄膜主要發(fā)生的步驟PlotofthenormalizedMOCVDgrowthrateofGaAsasafunctionofgrowthtemperature.(Afterref.53,CopyrightJohnWiley&SonsLimited,1987.Reproducedwithpermission.)3.3化學(xué)氣相沉積的類型（1）按沉積溫度（2）按反應(yīng)器內(nèi)的壓力常見的CVD技術(shù)比較沉積方式優(yōu)點缺點壓力、溫度APCVD構(gòu)造簡單、高沉積率、低溫階梯覆蓋差、微粒污染10～100KPa350～400℃LPCVD薄膜純度佳且均勻、階梯覆蓋適當(dāng)高溫、低沉積率100KPa550～600℃PECVD溫度低、附著性好及階梯覆蓋佳、針孔密度低微粒污染2～5Torr300～400℃MOCVD對大面積有極佳的取向附生安全考慮2643.3.1常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD）27APCVD的缺點：

1．硅片水平放置，量產(chǎn)受限，易污染。

2．反應(yīng)速度受多種因素影響，反應(yīng)室尺寸、氣體流

速、硅片位置等都會影響速度。

3．均勻性不太好，所以APCVD一般用在厚的介質(zhì)

淀積。APCVD系統(tǒng)的優(yōu)點:

具有高沉積速率，可達(dá)6000～10000埃/min

通常在集成電路制程中。APCVD只應(yīng)用于生長保護鈍化層。3.3.2.

低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVD)29LPCVD系統(tǒng)的優(yōu)點：

具有優(yōu)異的薄膜均勻度，以及較佳的階梯覆蓋能力，并且可以沉積大面積的芯片；LPCVD的缺點：

沉積速率較低，而且經(jīng)常使用具有毒性、腐蝕性、可燃性的氣體。由于LPCVD所沉積的薄膜具有較優(yōu)良的性質(zhì)，因此在集成電路制程中LPCVD是用以成長單晶薄膜及其對品質(zhì)要求較高的薄膜。APCVD生長速率快，但成膜均勻性不好，容易產(chǎn)生影響薄膜質(zhì)量的微粒，基本不應(yīng)用于集成電路制造。3.3.3.等離子體增強化學(xué)氣相淀積

等離子體增強化學(xué)氣相淀積(PECVD)是指采用高頻等離子體驅(qū)動的一種氣相淀積技術(shù)，是一種射頻輝光放電的物理過程和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)。該氣相淀積的方法可以在非常低的襯底溫度下淀積薄膜，例如在鋁(AL)上淀積Si02。工藝上PECVD主要用于淀積絕緣層。3.3.4PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖熱板式PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖32PECVD的沉積原理與一般的CVD之間并沒有太大的差異。等離子體中的反應(yīng)物是化學(xué)活性較高的離子或自由基，而且襯底表面受到離子的撞擊也會使得化學(xué)活性提高。這兩項因素都可促進(jìn)基板表面的化學(xué)反應(yīng)速率，因此PECVD在較低的溫度即可沉積薄膜。在集成電路制程中，PECVD通常是用來沉積SiO2

與Si3N4

等介電質(zhì)薄膜。PECVD的主要優(yōu)點是具有較低的沉積溫度下達(dá)到高的沉積速率。3.4.5金屬有機化學(xué)氣相淀積

金屬有機物化學(xué)氣相淀（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，簡稱MOCVD），1968年由美國洛克威爾公司提出來的一項制備化合物半導(dǎo)體單品薄膜的新技術(shù)。該設(shè)備集精密機械、半導(dǎo)體材料、真空電子、流體力學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、電腦多學(xué)科為一體，是一種自動化程度高、價格昂貴、技術(shù)集成度高的尖端光電子專用設(shè)備，主要用于GaN（氮化鎵）系半導(dǎo)體材料的外延生長和藍(lán)色、綠色或紫外發(fā)光二極體芯片的制造，也是光電子行業(yè)最有發(fā)展前途的專用設(shè)備之一。各組分和摻雜劑都是以氣態(tài)的方式通入反應(yīng)室

對MOCVD的生長過程進(jìn)行在位監(jiān)測反應(yīng)室中氣體流速較快晶體生長以熱解化學(xué)反應(yīng)的方式進(jìn)行使用較靈活對真空度的要求較低晶體生長速率與Ⅲ族源的流量成正比優(yōu)點MOCVD的優(yōu)點MOCVD裝置MOCVD裝置示意圖氣體的對流(Convection)：對流是與擴散不同的