气相沉积技术ppt课件.pptx

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1、气气 相相 沉沉 积积 技技 术术vapor deposition technology Date: 2010.10.13 2CZOPE气气 相相 沉沉 积积 技技 术术气相沉积技术概述气相沉积技术概述物理气相沉积物理气相沉积化学气相沉积化学气相沉积小结小结四四一一二二三三3CZOPE一、气相沉积技术概述一、气相沉积技术概述 气相沉积技术气相沉积技术是一种在基体上形成一层功能膜的技术，利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。物理气相沉积物理气相沉积 (PVD)气相沉积技术气相沉积技术化学气相沉积化学气相沉积 (CVD)n区别在于区别在

2、于：反应物的来源是否经过化学变化。反应物的来源是否经过化学变化。4CZOPE项 目物理气相沉积(PVD)化学气相沉积(CVD)物质源生成膜物质的蒸气，反应气体含有生成膜元素的化合物蒸气，反应气体等激活方法消耗蒸发热，电离等提供激活能，高温，化学自由能制作温度2502000（蒸发源）25至合适温度（基片）1502000（基片）成膜速率5250um/h251500um/h用途装饰，电子材料，光学材料精制，装饰，表面保护，电子材料可制作薄膜的材料所有固体（C、Ta、W困难）、卤化物和热稳定化合物碱及碱土类以外的金属（Ag、Au困难）、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、金属化合物

3、、合金PVD和和CVD的对比的对比5CZOPE二、二、物理气相沉积物理气相沉积 物理气相沉积（ Physical Vapor Deposition ，PVD)指的是利用某种物理的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物理表面原子的溅射现象，实现物质从原物质到薄膜的可控的原子转移过程。 PVD 法已广泛用于机械、航空 、电子、轻工和光学等工业部门中制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、磁性、光学、装饰、润滑、压电和超导等各种镀层，已成为国内外近20年来争相发展和采用的先进技术之一。主要分类：-蒸发（热化、电子束、RF）-溅射（RF、DC 、磁控）-其它方法（脉冲激光沉积、分子束延展、离子镀）6CZOPE

4、2.1 2.1 热蒸镀法热蒸镀法 ：热蒸镀法（热蒸镀法（ Thermal Evaporation Deposition ）是利用升高薄膜材料温度，使其有固体溶解然后气化（或直接由固体升华为气体），气态薄膜材料之原子或分子同时因具有加温后之动能而飞向基板沉积为固体薄膜。有下列几种不同的加热方式：1.热电阻加热法（Resitive Heating）2.电子枪蒸镀法（Electron Beam Gun Evaporation）3.雷射蒸镀法（Laser Deposition）4.分子束磊晶成长法（Molecular Beam Epitaxy）定义定义7CZOPE2.1 2.1 热蒸镀法热蒸镀法8CZ

5、OPE8常用的几种加热器形状常用的几种加热器形状 丝状丝状舟状舟状坩埚坩埚9CZOPE2.2 2.2 溅溅 镀镀 法法 溅镀法（溅镀法（ Sputtering Deposition ）：在低真空度中及）：在低真空度中及高电压下产生辉光放电形成电浆，携带能量之正离子飞向高电压下产生辉光放电形成电浆，携带能量之正离子飞向阴极轰击阴极之薄膜材料（靶材，阴极轰击阴极之薄膜材料（靶材，Target）表面而将靶材表面而将靶材之原子或分子撞击出且沉积在基板上。之原子或分子撞击出且沉积在基板上。10CZOPE蒸镀法和溅镀法的比较蒸镀法和溅镀法的比较蒸镀法蒸镀法溅镀法溅镀法靶材的选择受限制（金属靶材）几乎不受限

6、基材加热低除磁控法外，需高温表面损害低，电子束产生X-ray损害离子轰击的损害合金沉积否可均匀度难易沉积种类一次只能沉积一种薄膜可以沉积多层膜附着性不佳佳薄膜性质不易控制可利用调偏压、压力、基材加热来控制基本设备费低价格昂贵11CZOPE物理气相沉积物理气相沉积小结小结12CZOPE三、化学气相沉积三、化学气相沉积 化学气相沉积法（化学气相沉积法（chemical vapor deposition, CVD) )是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽

7、状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术13CZOPE1. 热解反应（pyrolytic reaction）2. 还原反应（reduction reaction）3. 氧化反应 (reduction reaction)4. 置换反应 (displacement reaction)5. 岐化反应 (disproportionation reaction )6. 气相运输 (vapor transportation)3.1 化学气相沉积中的化学反应类型化学气相沉积中的化学反应类型14CZOPE143.1.1 3.1.1 热热 解解

8、 反反 应应 热分解反应是最简单的沉积反应，利用热分解反应沉积材料一般在简单的单温区炉中进行，其过程通常是首先在真空或惰性气氛下将衬底加热到一定温度，然后导入反应气态源物质使之发生热分解，最后在衬底上沉积出所需的固态材料。热分解反应可应用于制备金属、半导体以及绝缘材料等。如：SiH4热解沉积多晶Si和非晶Si的反应42( )( )2( )SiHgSi sHg (650C)在传统的镍提纯过程中使用的羰基镍（nickel）热解生成金属Ni4() ( )( )4( )Ni COgNi sCO g (180C)15CZOPE153.1.2 还原反应还原反应 许多元素的卤化物、羟基化合物、卤氧化物等虽然

9、也可以气态存在，但它们具有相当的热稳定性，因而需要采用适当的还原剂才能将其置换出来。如利用H2还原SiCl4制备单晶硅外延层的反应42( )2( )( )4( )SiCl gHgSi sHCl g（1200C）各种难熔金属如W、Mo等薄膜的制备反应62( )3( )( )6( )WFgHgW sHF g（300C）说明：适用于作为还原剂的气态物质中说明：适用于作为还原剂的气态物质中H2最容易得到，因而利用最容易得到，因而利用得最多的是得最多的是H2。16CZOPE163.1.3 氧化反应氧化反应 与还原反应相反，利用O2作为氧化剂对SiH4进行的氧化反应为4222( )( )( )2( )Si

10、HgO gSiO sHg另外，还可以利用4222( )2( )( )( )4( )SiCl gHgO gSiO sHCl g实现SiO2的沉积。 这两种方法各应用于半导体绝缘层和光导纤维原料的沉积。前者要求的沉积温度低，而后者的沉积温度可以很高，但沉积速度要求较快。17CZOPE173.1.4 置换反应置换反应 只要所需物质的反应先驱物可以气态存在并且具有反应活性，就可以利用化学气相沉积的方法沉积其化合物。如各种碳、氮、硼化物的沉积44( )( )( )4( )SiCl gCHgSiC sHCl g（1400C）2233423( )4( )( )6( )6( )SiCl HgNHgSi NsH

11、gHCl g（750C）18CZOPE183.1.5 歧化反应歧化反应 某些元素具有多种气态化合物，其稳定性各不相同，外界条件的变化往往可促使一种化合物转变为稳定性较高的另一种化合物。可利用歧化反应实现薄膜的沉积，如242( )( )( )GeIgGe sGeIg（300-600C） 反应特点：反应特点： 1、GeI2和GeI4中的Ge分别是以+2价和+4价存在的； 2、提高温度有利于GeI2的生成。19CZOPE193.1.6 气相运输气相运输 当某一物质的升华温度不高时，可以利用其升华和冷凝的可逆过程实现其气相沉积。 例如：22( )2( )( )CdTe sCd gTe g（T1，T2）

12、 在沉积装置中，处于较高温度T1的CdTe发生升华，并被气体夹带输运到处于较低温度T2的衬底上发生冷凝沉积。20CZOPE3.2 3.2 化学气相沉积模式及原理过程化学气相沉积模式及原理过程21CZOPE21 CVD过程过程22CZOPE化学气相沉积原理化学气相沉积原理Vaporization and transport of precursor molecules into reactor Diffusion of precursor molecules to surface Adsorption of precursor molecules to surface Decomposition

13、 of precursor molecules on surface and incorporation into solid films Recombination of molecular byproducts and desorption into gas phase23CZOPE化化学气相沉积系统中沉积薄膜主要发生的步骤学气相沉积系统中沉积薄膜主要发生的步骤24CZOPE Plot of the normalized MOCVD growth rate of GaAs as a function of growth temperature.(After ref. 53, Copyrig

14、ht John Wiley & Sons Limited, 1987. Reproduced with permission.)25CZOPE3.3 3.3 化学气相沉积的类型化学气相沉积的类型（1）按沉积温度）按沉积温度（2）按反应器内的压力按反应器内的压力26CZOPE常见的常见的CVD技术比较技术比较沉积方式沉积方式优点优点缺点缺点压力、温度压力、温度APCVD构造简单、高沉积率、低温阶梯覆盖差、微粒污染10100KPa350400LPCVD薄膜纯度佳且均匀、阶梯覆盖适当高温、低沉积率100KPa550600PECVD温度低、附着性好及阶梯覆盖佳、针孔密度低微粒污染25Torr30040

15、0MOCVD 对大面积有极佳的取向附生安全考虑27CZOPE2743.3.1 常压化学气相淀积（常压化学气相淀积（APCVD）28CZOPE28 APCVD的缺点： 1 硅片水平放置，量产受限，易污染。 2 反应速度受多种因素影响，反应室尺寸、气体流 速、硅片位置等都会影响速度。 3均匀性不太好，所以APCVD一般用在厚的介质 淀积。 APCVD系统的优点: 具有高沉积速率，可达600010000埃/min 通常在集成电路制程中。APCVD只应用于生长保护钝化层。29CZOPE3.3.2. 低压低压化学汽相淀积化学汽相淀积(LPCVD)30CZOPE30 LPCVD系统的优点系统的优点： 具有

16、具有优异的薄膜均匀度，以及较佳的阶梯覆盖能力，并优异的薄膜均匀度，以及较佳的阶梯覆盖能力，并且可以沉积大面积的芯片；且可以沉积大面积的芯片； LPCVD的缺点的缺点： 沉积速率沉积速率较低，而且经常使用具有毒性、腐蚀性、可燃较低，而且经常使用具有毒性、腐蚀性、可燃性的性的气体。由于气体。由于LPCVD所沉积的所沉积的薄膜具有较优良的性质，薄膜具有较优良的性质，因此在集成电路制程中因此在集成电路制程中LPCVD是用以成长单晶薄膜及其对是用以成长单晶薄膜及其对品质要求较高的薄膜。品质要求较高的薄膜。 APCVD生长速率快，但成膜均匀性不好，容易产生影生长速率快，但成膜均匀性不好，容易产生影响薄膜质

17、量的微粒，基本不应用于集成电路制造。响薄膜质量的微粒，基本不应用于集成电路制造。31CZOPE3.3.3. 3.3.3. 等离子体增强化学气相淀积等离子体增强化学气相淀积 等离子体增强化学气相淀积等离子体增强化学气相淀积(PECVD)是指采用是指采用高频高频等离子体等离子体驱动的一种气相淀积技术，是一种射频辉光放电驱动的一种气相淀积技术，是一种射频辉光放电的的物理过程和化学反应物理过程和化学反应相结合的技术。该气相淀积的方法相结合的技术。该气相淀积的方法可以在非常低的衬底温度下淀积薄膜可以在非常低的衬底温度下淀积薄膜，例如在铝，例如在铝(AL)上上淀积淀积Si02。工艺上。工艺上PECVD主要

18、用于淀积绝缘层。主要用于淀积绝缘层。32CZOPE3.3.4 PECVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图热板式热板式PECVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图33CZOPE33 PECVD的沉积原理与一般的CVD之间并没有太大的差异。等离子体中的反应物是化学活性较高的离子或自由基，而且衬底表面受到离子的撞击也会使得化学活性提高。这两项因素都可促进基板表面的化学反应速率，因此PECVD在较低的温度即可沉积薄膜。 在集成电路制程中，PECVD通常是用来沉积SiO2 与Si3N4 等介电质薄膜。PECVD的主要优点是具有较低的沉积温度下达到高的沉积速率。34CZOPE3.4.5 金属有机化学

19、气相淀积金属有机化学气相淀积 金属有机物化学气相淀金属有机物化学气相淀（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称，简称 MOCVD），）， 1968年由美国洛克年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力术。该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、电脑多学科为一体，是一种自动化程度学、光学、化学、电脑多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光

20、电子专用设备，主要用于要用于GaN（氮化鎵）系半导体材料的外延生长和蓝色、（氮化鎵）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极体芯片的制造，也是光电子行业最有绿色或紫外发光二极体芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。发展前途的专用设备之一。35CZOPE各组分和掺杂剂都是以各组分和掺杂剂都是以气态的方式通入反应室气态的方式通入反应室 对对MOCVD的生长的生长过程进行在位监测过程进行在位监测反应室中气体反应室中气体流速较快流速较快晶体生长以热解化学晶体生长以热解化学反应的方式进行反应的方式进行使用较灵活使用较灵活对真空度的要求较低对真空度的要求较低晶体生长速率晶体生长速率

21、与与族源的流量成正比族源的流量成正比优点优点MOCVD的优点的优点36CZOPEMOCVD装置装置37CZOPEMOCVD装置示意图装置示意图38CZOPE 气体的对流(Convection)： 对流是与扩散不同的气体流动方式； 特点：热气上升、冷气下降； 抑制对流的方法： 提高气流流速可抑制对流； 高温区上置可抑制对流； 对流的利用：对流可以提高质量输运，从而提高薄膜的生长速率；MOCVD中的对流中的对流39CZOPECVD工艺工艺A CVD成膜温度成膜温度远低于体材料的熔点远低于体材料的熔点对薄膜表面形成污染对薄膜表面形成污染对环境的污染对环境的污染薄膜的成分精确可控薄膜的成分精确可控配比范围大配比范围大淀积速率一般高于淀积速率一般高于PVDCVD可以淀积集成可以淀积集成电路中的各种薄膜电路中的各种薄膜淀积膜结构完整、致密淀积膜结构完整、致密良好的台阶覆盖能力良好的台阶覆盖能力且与衬底粘附性好。且与衬底粘附性好。3.4 CVD工艺的优缺点工艺的优缺点40CZOPE 气相沉积技术 物理气相沉积 化学气相沉积 热蒸镀法热蒸镀法 溅溅 镀镀 法法41CZOPE