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1、气相沉积技术第1页，此课件共38页哦 气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分，在表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层。TargetMediumSubstrate 气相沉积的物理基础气相沉积的物理基础 相变驱动力驱动力是亚稳定的气相与沉积固相之间的吉布斯自由能差，沉积的相变阻力相变阻力还是形成新相表面能的增加。气相沉积的必要条件是沉积物质的过饱和蒸汽压，过饱和度是气相沉积的动力，遵守形核和晶体长大的一般规律，当结晶条件受到抑制时，则按非晶化规律转变，形成非晶膜。气相沉积的特殊性是气相直接凝固成固相。第2页，此课件共38页哦气相沉积的特点气相沉积的特点 气相沉积都是在密封系统
2、的真空条件下进行，除常压化学气相沉积系统的压强约为一个大气压外，都是负压。沉积气氛在真空室内进行，原料转化率高，可以节约贵重材料资源。气相沉积可降低来自空气等的污染，所得沉积膜或材料纯度高。能在较低温度下制备高熔点物质。便于制备多层复合膜、层状复合材料和梯度材料。第3页，此课件共38页哦真空技术基础真空技术基础u 所谓“真空”是指低于101.3kPa的气体状态，即与正常的大气相比，是较为稀薄的一种气体状态。因此，我们所说的“真空”均指相对真空状态。u“真空度真空度”和和“压强压强”真空度是对气体稀薄程度的种度量，最直接的物理量应该是每单位体积中的分子数，气体的压强是指气体作用于单位面积器壁上的
3、压力。真空度的高低通常都用气体的压强来表示。真空度的高低通常都用气体的压强来表示。u为了方便起见，常根据压强的高低，习惯将真空划分为以下几个区域：粗真空：低真空：高真空：超高真空：极高真空：真空第4页，此课件共38页哦u 真空的获取真空的获取 气体传输泵：旋片式机械真空泵、油扩散泵、分子泵；前级泵 气体捕获泵：分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵和低温泵。次级泵。旋片式机械泵结构示意图旋片式机械泵结构示意图低温泵结构示意图低温泵结构示意图第5页，此课件共38页哦几种常用真空泵的真空使用范围几种常用真空泵的真空使用范围 根据成膜过程机理的不同，可将气相沉积技术分为物理气相沉积（PVD）、化学气相沉
4、积（CVD）和物理化学气相沉积（PCVD)三个大类。第6页，此课件共38页哦物理气相沉积物理气相沉积物理气相沉积物理气相沉积 一般说来，物理气相沉积是把固态或液态成膜材料通过某种物理方式(高温蒸发、溅射、等离子体、离子束、激光束、电弧等)产生气相原子、分子、离子(气态、等离子态)，再经过输运在基体表面沉积，或与其他活性气体反应形成反应产物在基体上沉积为固相薄膜的过程。第7页，此课件共38页哦真空蒸镀真空蒸镀 真空蒸发(Vacuum Evaporation)镀膜简称蒸发镀，是在真空条件下用蒸发器加热待蒸发物质，使其汽化并向基板输送，在基板上冷凝形成固态薄膜的过程。l 真空蒸真空蒸镀镀的基本过程的
5、基本过程 (1)加热蒸发过程：包括固相或液相转变为气相的相变过程(固相或液相气相)，每种物质在不同的温度有不同的饱和蒸气压。(2)汽化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，此过程中汽化原子或分子与残余气体分子发生碰撞的次数决定于蒸发原子或分子的平均自由程以及源基距离。(3)蒸发原子或分子在基片表团的沉积过程，即蒸气的凝聚成核，核生长形成连续膜(气相固相的相变过程)。第8页，此课件共38页哦l 蒸发源 蒸发源是蒸镀材料蒸发汽化的热源。目前使用的蒸发源主要有以下几类：电阻加热蒸发源电阻加热蒸发源 用丝状或片状的高熔点金属（钨、钼、钽）做成适当形状的蒸发源，将膜料放在其中，接通电阻加热膜料而使其蒸发。
6、特点：结构简单、操作方便、造价低廉 电子束加热蒸发源电子束加热蒸发源 e型电子枪电子枪发出的电子束直接照射镀料表面，将高速电子的动能转化为加热材料的热能，使镀料熔化蒸发，而进行蒸镀。特点：能量可高度集中，使膜料的局部表面获得很高的温度，能准确而方便的控制蒸发温度。适用于制备高纯度的膜层。激光束蒸发源激光束蒸发源 通过聚焦可使激光束密度达到106W/cm2以上，它以无接触加热方式使膜料迅速气化，然后沉积在基片上形成薄膜。特点：实现化合物沉积，不会产生分流现象，能蒸发高熔点材料。l真空蒸镀的特点及应用真空蒸镀的特点及应用 优点：工艺过程真空度高，因而膜层致密度及纯度高；镀膜工艺过程及设备比较简单、
7、易控制。缺点：膜层与基片结合力差，绕镀性差。第9页，此课件共38页哦 溅射溅射u 溅射现象溅射现象 入射核能离子轰击靶材表面产生相互作用，结果会产生如图所示的一系列物理化学现象，主要包括三类现象：表面粒子：溅射原子或分子溅射原子或分子，二次电子发射，正负离子发射，溅射原子返回，解吸附杂质（气体）原子或分解，光子辐射等。表面物化现象：加热、清洗、刻蚀、化学分解或反应。材料表面层的现象：结构损伤（点缺陷、线缺陷）、热钉、碰撞级联、离子注入、扩散、非晶化和化合相。第10页，此课件共38页哦u 溅射机理 溅射完全是动能的交换过程。入射离子最初撞击靶体表面上的原子时，产生弹性碰撞，它的动能传递给靶表面的
8、原子，该表面原子获得的动能再向靶内部原子传递，经过一系列的碰撞过程即级联碰撞，其中某一个原子获得指向靶表面外的动量，并且具有了克服表面势垒（结合能）的能量，它就可以溢出靶面而成为溅射原子。l 在在溅溅射射过过程中，通程中，通过动过动量量传递传递，95%的离子能量作的离子能量作为热为热量而被量而被损损耗，耗，仅仅有有5%的能量的能量传递给传递给二次二次发发射的粒子。射的粒子。l溅溅射的中性粒子射的中性粒子:二次二次电电子子:二次离子二次离子=100:10:1入射粒子引起靶材表面入射粒子引起靶材表面原子的原子的级联级联碰撞示意碰撞示意图图第11页，此课件共38页哦u 溅射产额溅射产额 溅射产额是指
9、每一个入射离子所击出的靶材的原子数，又称溅射率或溅射系数。用S表示。溅射产额S的大小与轰击粒子的类型、能量、入射角有关，也与靶材原子的种类、结构有关，与溅射时靶材表面发生的分解、扩散、化合等状况有关，与溅射气体的压强有关。u 溅射能量阈值溅射能量阈值 当入射离子的能量小于或等于某个能量值时，不会发生溅射，S=0，此值称为溅射能量阈值。与入射离子的种类关系不大、与靶材有关。与入射离子的种类关系不大、与靶材有关。第12页，此课件共38页哦u合金和化合物的溅射合金和化合物的溅射合金靶材合金靶材：为了得到与靶材成分基本相同的膜层，应当加强靶的冷却，使靶处在冷态下溅射，这样就降低了靶内组分的扩散效应。开
10、始溅射时，高溅射率的组分优先溅出，表面该组分贫化，若降低扩散迁移，深层元素不向表面补充，表面低溅射率元素浓度相对增高下多溅出，就可使沉积膜接近靶材成分。化合物靶材化合物靶材：大多数化合物的离解能在10100eV范围内，而溅射工况下入射离子能量都超过这一范围，所以，化合物靶材在溅射时化合物会发生离解。膜成分和靶组分的化学配比将发生偏差，化合物的离解产物中常常是气体原子，有可能被抽气系统抽掉，所以要补偿膜组分中化学配比的偏差，需要引入适量的“反应气体”，通过反应溅射的方式来纠正化学配比的偏差。例如，氧化物、氮化物或硫化物的溅射中，需要添加一定比例的O2，N2，H2S等参加到溅射气体中进行反应溅射，
11、以保证化学配比。第13页，此课件共38页哦u溅射镀膜方法溅射镀膜方法1 1、二极溅射、二极溅射溅射原理溅射原理：阴极溅射时，靶材作为阴极，其过程首先是将密闭系统抽至真空度为133.310-5133.310-4Pa，然后充入一定量的惰性气体（通常是氩气），此时真空度应保持在133.310-3133.310-2Pa。在阴极和阳极之间之间加上34kv的高电压，这时惰性气体即产生辉光放电,并部分电离，在阴极周围形成一个暗区。阴极暗区的等离子体包括惰性气体的离子、中性原子、电子和光子。在阴极负高压的吸引下，阴极暗区内的惰性气体离子(如Ar+)被加速，并以极高的速度轰击靶，使靶材溅射出来。从靶材溅射出来的
12、原子或分子以足够高的速度飞向放在周围的零件而形成镀层。由于溅射出来的原子具有1035ev的动能，因而溅射膜的附着力较强。溅射方法根据特征可分为：直流溅射直流溅射、射频溅射射频溅射、磁控溅射磁控溅射和反应溅射反应溅射。第14页，此课件共38页哦2 2、射频溅射、射频溅射？如果靶材是绝缘材料，在正离子的轰击下就会带正电，从而使电位上升，离子加速电场就逐渐变小，到停止溅如果靶材是绝缘材料，在正离子的轰击下就会带正电，从而使电位上升，离子加速电场就逐渐变小，到停止溅射，至辉光放电停止。射，至辉光放电停止。在高频交变电场作用下，可在绝缘靶表面上建立起负偏压的缘故。在靶上施加射频电压，在靶处于正半周时，由
13、于电子质量比离子质量小，故迁移率高，在很短时间内飞向靶面，中和其表面累积的正电荷，并且在靶表面迅速积累大量电子，使靶材表面呈负电位，吸引正离子继续轰未靶表面产生溅射。实现了正、负半周中，均可产生溅射。第15页，此课件共38页哦 传统溅射方法缺点：传统溅射方法缺点：3 3、磁控溅射、磁控溅射 沉积速率比较低沉积速率比较低，特别是阴极溅射，共放电过程中只有大约0.30.5的气体分子被电离；工作气压高；工作气压高；气体分子对薄膜污染高气体分子对薄膜污染高 是一种高速低温溅射技术，由于在磁控溅射中运用了正交电磁场，使离化率提高到5%6%，使溅射速率比二极溅射提高10倍以上，沉积速率可达每分钟几百至20
14、00nm。磁控溅射技术：磁控溅射技术：第16页，此课件共38页哦 磁控溅射原理：磁控溅射原理：电子e在电场E的作用下，在飞向基板的过程中与Ar原子发生碰撞，使其电离成Ar+和一个电子e，电子e飞向基片，Ar+在电场的作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，溅射出中性靶原子或分子沉积在基片上形成膜。另外，被溅射出的二次电子e1一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场作用，进入负辉区则只受磁场作用。于是，从靶表面发出的二次电子e1，首先在阳极暗区受到电场加速飞向负辉区。进入负辉区的电子具有一定的速度，并且是垂直于磁力线运动的，在Lonenlz力Fq(E十vB)的作用下，而绕磁力线旋转。电子旋转半圈后
15、重新进入阴极暗区，受到电场减速。当电子接近靶平面时速度降为零。以后电子在电场作用下再次飞离靶面，开始新的运动周期。电子就这样跳跃式地向EB所指方向漂移。电子在正交电磁场作用下的运动轨迹近似一条摆线。若为环行磁场，则电子就近似摆线形式在靶表面做圆周运动。二次电子在环状磁场的控制下，运动路径很长，增加了与气体碰撞电离的概率，从而实现磁控溅射沉积速率高的特点。第17页，此课件共38页哦 化合物薄膜占全部薄膜的化合物薄膜占全部薄膜的70%70%，在薄膜制备中占重要地位。大多数化合物薄膜可以用，在薄膜制备中占重要地位。大多数化合物薄膜可以用化学气相沉积化学气相沉积(CVD)(CVD)法制备，但是法制备，
16、但是PVDPVD也是制备化合物薄膜的一种好方法。也是制备化合物薄膜的一种好方法。4 4、反应溅射、反应溅射 溅射键膜中，引入某些活性反应气体与溅射粒子进行化学反应，生成不同于靶材的化合物薄膜。例如通过在O2中溅射反应制备氧化物薄膜在N2或NH3个制备氮化物薄膜，在C2H2或CH4中制备碳化物薄膜等。将反应气体和溅射气体分别送至基板和靶附近，以形成压力梯度。一般反应溅射的气压都很低，气相反应不显著。但是，等离子体中流通电流很高，对反应气体的分解、激发和电离起着重要作用，因而使反应溅射中产生强大的由载能游离原子团组成的粒子流，与溅射出来的靶原子从阴极靶流向基片，在基片上克服薄膜生成的激活能，而生成
17、化合物。在很多情况下，只要改变溅射时反应气体与惰性气体的比例，就可改变薄膜性质，如可使薄膜由金属导体非金属。第18页，此课件共38页哦 离子镀离子镀 离子镀技术是结合了蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展起来的一种物理气相沉积方法。二极直流放电离子镀示意图二极直流放电离子镀示意图u离子镀的定义离子镀的定义：是指在真空条件下，利用气体放电使工作：是指在真空条件下，利用气体放电使工作气体或被蒸发物质（镀料）部分离化，在工作气体离子或被气体或被蒸发物质（镀料）部分离化，在工作气体离子或被蒸发物质的离子轰击作用下，把蒸发物或其反应物沉积在被蒸发物质的离子轰击作用下，把蒸发物或其反应物沉积在被镀物体表面的过
18、程。镀物体表面的过程。u离子镀的类型离子镀的类型：（从离子来源的角度可分为）蒸发源：（从离子来源的角度可分为）蒸发源离子镀和溅射离子镀两大类。离子镀和溅射离子镀两大类。u离子镀技术的特征离子镀技术的特征：在基片上施加负偏压，用来加速离子，：在基片上施加负偏压，用来加速离子，增加调节离子的能量。增加调节离子的能量。离子镀的主要优点：离子镀的主要优点：等离子体的活性有利于降低化合物的合成温度；等离子体的活性有利于降低化合物的合成温度；离子轰击提高了薄离子轰击提高了薄膜的致密度；膜的致密度；改善了膜层的组织结构；改善了膜层的组织结构；提高膜提高膜/基结合力。基结合力。第19页，此课件共38页哦 荷能
19、离子对基体表面的轰击效应：荷能离子对基体表面的轰击效应：溅射清洗溅射清洗产生缺陷产生缺陷结晶系破坏结晶系破坏改变表面形貌改变表面形貌气体渗入气体渗入温度升高温度升高和表面成分变化和表面成分变化离子镀的特点离子镀的特点：清除表面吸附气体和氧化物的污染清除表面吸附气体和氧化物的污染促使晶格原子离位和迁移而形成促使晶格原子离位和迁移而形成空位和间隙原子点缺陷空位和间隙原子点缺陷导致破坏表面结晶结构或非晶态化导致破坏表面结晶结构或非晶态化表面粗糙化表面粗糙化气体渗入沉积的膜中气体渗入沉积的膜中大部分轰击粒子的能量转大部分轰击粒子的能量转成表面加热成表面加热选择溅射及扩散作用使表面成分有异于整体材料成分
20、选择溅射及扩散作用使表面成分有异于整体材料成分第20页，此课件共38页哦 荷能离子对基体和镀层界面的轰击效应：荷能离子对基体和镀层界面的轰击效应：物理混合物理混合增强扩散增强扩散改善成核改善成核减少松散结合原子减少松散结合原子改善表面覆盖度改善表面覆盖度增加绕镀性增加绕镀性反冲注入与级联碰撞，引起近表面区的非扩反冲注入与级联碰撞，引起近表面区的非扩散型混合，形成散型混合，形成“伪扩散层伪扩散层”界面，即膜基界面，即膜基之间的过滤层，厚达几微米，其中甚至会出之间的过滤层，厚达几微米，其中甚至会出现新相。这可大大提高膜基附着强度。现新相。这可大大提高膜基附着强度。高缺陷浓度与温升提高了高缺陷浓度与
21、温升提高了扩散速率，增强沉积原子扩散速率，增强沉积原子与基体原子之间的相互扩与基体原子之间的相互扩散散即使原来属于非反应性成核模式的情况，经离子轰击表面产生更多缺陷，增加了成核密度，从而更有利于形成扩散反应型成核模式。优先去除结合松散的原子优先去除结合松散的原子第21页，此课件共38页哦 荷能离子在薄膜生长中的效应：荷能离子在薄膜生长中的效应：有利于化合物形成有利于化合物形成清除柱状晶、提高致密度，清除柱状晶、提高致密度，对膜层内应力的影响，对膜层内应力的影响，改变膜的组织结构，改变膜的组织结构，强化基体表面等；强化基体表面等；镀料粒子与反应气体激活镀料粒子与反应气体激活反应，活性提高，在较低
22、反应，活性提高，在较低温度下形成化合物温度下形成化合物轰击和溅射破坏了柱状晶轰击和溅射破坏了柱状晶生长条件，转变成稠密的生长条件，转变成稠密的各向异性结构各向异性结构使原子处于非平衡位置而增使原子处于非平衡位置而增加应力或增强扩散和再结晶加应力或增强扩散和再结晶等松弛应力。等松弛应力。提高沉积粒子的激活能，提高沉积粒子的激活能，甚至出现新亚稳相，改变甚至出现新亚稳相，改变膜的组织结构和性能膜的组织结构和性能基体表面产生压应力基体表面产生压应力第22页，此课件共38页哦 真空室抽至真空室抽至10-310-4Pa，随后通入惰性气体（，随后通入惰性气体（Ar），真空度达），真空度达110-1Pa，接
23、通高压电，接通高压电源，在蒸发源（阳极）和基片（阴极）之间建立起一个低压气体放电的低温等离子区。源，在蒸发源（阳极）和基片（阴极）之间建立起一个低压气体放电的低温等离子区。基片成为辉光放电的阴极，其附近成为阴极暗区。在负辉区附近产生的惰性气体离子进基片成为辉光放电的阴极，其附近成为阴极暗区。在负辉区附近产生的惰性气体离子进入进入阴极暗区被电场加速并轰击基片表面，可有效地清除基片表面的气体和污物。随入进入阴极暗区被电场加速并轰击基片表面，可有效地清除基片表面的气体和污物。随后，让镀料汽化，蒸发的粒子进入等离子区，并与等离子区中的正离子和被激发的惰性后，让镀料汽化，蒸发的粒子进入等离子区，并与等离
24、子区中的正离子和被激发的惰性气体原子以及电子发生碰撞，其中一部分蒸发粒子被电离成正离子，而大部分原子达不气体原子以及电子发生碰撞，其中一部分蒸发粒子被电离成正离子，而大部分原子达不到离化的能量，处于激发状态。被电离的镀料离子和惰性气体离子一起受到负高压电场到离化的能量，处于激发状态。被电离的镀料离子和惰性气体离子一起受到负高压电场加速，以较高的能量轰击基片和镀层的表面，并沉积成膜。这种荷能粒子的轰击贯穿镀加速，以较高的能量轰击基片和镀层的表面，并沉积成膜。这种荷能粒子的轰击贯穿镀膜成核和生长的全过程。离子镀成膜过程中所需的能量靠荷能离子供给，而离子的能量膜成核和生长的全过程。离子镀成膜过程中所
25、需的能量靠荷能离子供给，而离子的能量是在电离碰撞以及离子被电场加速获得的，而不是靠加热方式获得的。是在电离碰撞以及离子被电场加速获得的，而不是靠加热方式获得的。离子镀原理离子镀原理第23页，此课件共38页哦离子镀技术必须具备三个条件：一是有一个气体放电空间，工作气体部分地电离产生离子镀技术必须具备三个条件：一是有一个气体放电空间，工作气体部分地电离产生等离子体；二是要将镀料原子或反应气体引进放电空间，在其中进行电荷交换和能量等离子体；二是要将镀料原子或反应气体引进放电空间，在其中进行电荷交换和能量交换，使之部分离化，产生镀料物质或反应气体的等离子体；三是在基片上部施加负交换，使之部分离化，产生
26、镀料物质或反应气体的等离子体；三是在基片上部施加负电位，形成对离子加速电场。电位，形成对离子加速电场。在离子镀过程中，镀料气化粒子来源于蒸发，而镀料离子的电离则发生在镀料与基片之间在离子镀过程中，镀料气化粒子来源于蒸发，而镀料离子的电离则发生在镀料与基片之间的气体放电空间。处于负电位的基片表面受到等离子体的包围，在镀膜前受到惰性气体正离子的的气体放电空间。处于负电位的基片表面受到等离子体的包围，在镀膜前受到惰性气体正离子的轰击溅射，清理了表面。在镀膜时则受到惰性气体离子和镀料离子的轰击溅射，沉积与反溅共存。轰击溅射，清理了表面。在镀膜时则受到惰性气体离子和镀料离子的轰击溅射，沉积与反溅共存。所
27、以说离子镀是真空蒸发和溅射技术相结合的产物，只不过溅射的对象是基片和沉积中的膜层。所以说离子镀是真空蒸发和溅射技术相结合的产物，只不过溅射的对象是基片和沉积中的膜层。第24页，此课件共38页哦第25页，此课件共38页哦化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积（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等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽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。简单来说就是：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积
28、到基片表面上。为为适适应应CVDCVD技技术术的的需需要要，选选择择原原料料、产产物物及及反反应应类类型型等等通通常常应应满满足足以以下下几几点点基基本本要要求：求：(1)反应剂在室温或不太高的温度下最好是气态或有较高的蒸气压而易于挥发成蒸汽的液态或固态物质，且有很高的纯度；(2)通过沉积反应易于生成所需要的材料沉积物，而其他副产物均易挥发而留在气相排出或易于分离；(3)反应易于控制。第26页，此课件共38页哦 与PVD时的情况不同，CVD过程多是在相对较高的压力环境下进行的，因为较高的压力有助于提高薄膜的沉积速率。此时，气体的流动状态己处于黏滞流状态。气相分子的运动路径不再是直线，而它在衬底
29、止的沉积几率取决于气压、温度、气体组成、气体激发状态、薄膜表面状态等多个复杂因素的组合。这一特性决定了CVD薄膜可以被均匀地涂覆在复杂零件的表面上，而较少受到阴影效应的限制。利用CVD方法，可以制备的薄膜种类范围很广，包括固体电子器件所需的各种薄膜、轴承和工具的耐磨涂层，发动机或核反应堆部件的高温防护涂层等。特别是在高质量的半导体晶体外延技术以及各种介电薄膜的制备中，大量使用了化学气相沉积技术。CVD特点及特点及应应用用第27页，此课件共38页哦CVD技术的分类技术的分类CVD技术根据反应类型或者压力可分为技术根据反应类型或者压力可分为 低压低压CVD(LPCVD)常压常压CVD(APCVD)
30、亚常压CVD(SACVD)超高真空CVD(UHCVD)等离子体增强等离子体增强CVD(PECVD)高密度等离子体CVD(HDPCVD)快热CVD(RTCVD)金属有机物CVD(MOCVD)第28页，此课件共38页哦 CVD是建立在化学反应基础上的，要制备特定性能材料首先要选定一个合理的沉积反应。用于CVD技术的通常有如下所述五种反应类型。(1)热分解反应热分解反应 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。热分解发可应用于制备金属
31、、半导体以及绝缘材料等。最常见的热分解反应有四种。（a）氢化物分解（b）金属有机化合物的热分解（c）氢化物和金属有机化合物体系的热分解（d）其他气态络合物及复合物的热分解化学气相沉积法的原理化学气相沉积法的原理第29页，此课件共38页哦(2)(2)氧化还原反应沉积氧化还原反应沉积 一些元素的氢化物有机烷基化合物常常是气态的或者是易于挥发的液体或固体，便于使用在CVD技术中。如果同时通入氧气，在反应器中发生氧化反应时就沉积出相应于该元素的氧化物薄膜。例如：许多金属和半导体的卤化物是气体化合物或具有较高的蒸气压，很适合作为化学气相沉积的原料，要得到相应的该元素薄膜就常常需采用氢还原的方法。氢还原法
32、是制取高纯度金属膜的好方法，工艺温度较低，操作简单，因此有很大的实用价值。例如：第30页，此课件共38页哦 (3)化学合成反应沉积化学合成反应沉积 化学合成反应沉积是由两种或两种以上的反应原料气在沉积反应器中相互作用合成得到所需要的无机薄膜或其它材料形式的方法。这种方法是化学气相沉积中使用最普遍的一种方法。与热分解法比，化学合成反应沉积的应用更为广泛。因为可用于热分解沉积的化合物并不很多，而无机材料原则上都可以通过合适的反应合成得到。第31页，此课件共38页哦(4)化学输运反应沉积化学输运反应沉积 把所需要沉积的物质作为源物质，使之与适当的气体介质发生反应并形成一种气态化合物。这种气态化合物经
33、化学迁移或物理载带而输运到与源区温度不同的沉积区，再发生逆向反应生成源物质而沉积出来。这样的沉积过程称为化学输运反应沉积。其中的气体介质成为输运剂，所形成的气态化合物称为输运形式。这类反应中有一些物质本身在高温下会汽化分解然后在沉积反应器稍冷的地方反应沉积生成薄膜、晶体或粉末等形式的产物。HgS就属于这一类，具体反应可以写成：也有些原料物质本身不容易发生分解，而需添加另一种物质（称为输运剂）来促进输运中间气态产物的生成。第32页，此课件共38页哦(5)等离子体增强的反应沉积等离子体增强的反应沉积 在低真空条件下，利用直流电压（DC）、交流电压（AC）、射频（RF）、微波（MW）或电子回旋共振（
34、ECR）等方法实现气体辉光放电在沉积反应器中产生等离子体。由于等离子体中正离子、电子和中性反应分子相互碰撞，可以大大降低沉积温度，例如硅烷和氨气的反应在通常条件下，约在850左右反应并沉积氮化硅，但在等离子体增强反应的条件下，只需在350左右就可以生成氮化硅。一些常用的PECVD反应有：第33页，此课件共38页哦(6)其他能源增强反应沉积其他能源增强反应沉积 随着高新技术的发展，采用激光增强化学气相沉积也是常用的一种方法。例如：通常这一反应发生在300左右的衬底表面。采用激光束平行于衬底表面，激光束与衬底表面距离约1mm，结果处于室温的衬底表面上就会沉积出一层光亮的钨膜。其他各种能源例如利用火
35、焰燃烧法，或热丝法都可以实现增强反应沉积的目的。第34页，此课件共38页哦一般来讲，CVD装置往往包括以下几个基本部分：反应气体和载气的供给和计量装置；必要的加热和冷却系统；反应产物气体的排出装置或真空系统。如同在物理气相沉积时的情形一样。针对不同的薄膜材料和使用目的。化学气相沉积装置可以具有各种不同的形式。其分类的方法可以是按照沉积过程中的温度(低温、高温)、压力(常压、低压)、加热方式(冷壁、热壁式)等。并且，在CVD装置中也可以辅助以各种物理手段，如等离子体或热蒸发技术等。化学气相沉积装置化学气相沉积装置等离子体辅助化学气相沉积（等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）技术）技术第35页，
36、此课件共38页哦 在低压化学气相沉积过程进行的同时，利用辉光放电等离子体对沉积过程施加影响的技术称为等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)技术。从这种意义上来讲，传统的CVD技术依赖于较高的衬底温度实现气相物质间的化学反应与薄膜的沉积，因而可以称之为热CVD技术特特点点：等等离离子子体体中中含含有有大大量量高高能能量量的的电电子子，它它们们可可以以提提供供化化学学气气相相沉沉积积过过程程所所需需要要的的激激活活能能Ea。电电子子与与气气相相分分子子的的碰碰撞撞可可以以促促进进气气体体分分子子的的分分解解、化化合合、激激发发和和电电离离过过程程，生生成成活活性性很很高高的的各各种种化化学学基基团
37、团，因因而而显显著著降降低低CVD薄薄膜膜沉沉积积的的温温度度范范围围，使使得得原原来来需需要要在在高高温温下下才才能能进进行行的的CVD过过程程得得以以在在低低温温实实现现。低低温温薄薄膜膜沉沉积积的的好好处处包包括括可可以以避避免免薄薄膜膜与与衬衬底底间间发发生生不不必必要要的的扩扩散散与与化化学学反反应应、避避免免薄薄膜膜或或衬衬底底材材料料的的结结构构变变化化与与性性能能恶恶化化、避避免免薄薄膜膜与与衬衬底底中中出出现现较较大大的的热热应力等。应力等。第36页，此课件共38页哦 在在PECVD过程中发生的微观过程：过程中发生的微观过程：(a)(a)气体分子与等离子体中的电子发生碰撞，产
38、生出活性基团和离子。其中，形成离子的几率气体分子与等离子体中的电子发生碰撞，产生出活性基团和离子。其中，形成离子的几率要低得多，因为分子离化过程所需的能量较高。要低得多，因为分子离化过程所需的能量较高。(b)(b)活性基团可以直接扩散到衬底。活性基团可以直接扩散到衬底。(c)(c)活性基团也可以与其他气体分子或活性基团发生相互作用，进而形成沉积所需的化学基因。活性基团也可以与其他气体分子或活性基团发生相互作用，进而形成沉积所需的化学基因。(d)(d)沉积所需的化学基团扩散到衬底表面。沉积所需的化学基团扩散到衬底表面。(e)(e)气体分子也可能没有经过上述活化过程而直接扩散到衬底附近。气体分子也
39、可能没有经过上述活化过程而直接扩散到衬底附近。(f)(f)气体分子被直接排出系统之外。气体分子被直接排出系统之外。(g)(g)到达衬底表面的各种化学基团发生各种沉积反应并释放出反应产物。到达衬底表面的各种化学基团发生各种沉积反应并释放出反应产物。第37页，此课件共38页哦 在在PECVD装置中，可以利用各种方法来产生所需要的等离子体。比如，二极直装置中，可以利用各种方法来产生所需要的等离子体。比如，二极直流辉光放电的方法、射频辉光放电的方法、微波激发等离了体的方法等流辉光放电的方法、射频辉光放电的方法、微波激发等离了体的方法等。电容耦合的射频电容耦合的射频PECVD装置的典型装置的典型结构。在装置中，射频电压被加在结构。在装置中，射频电压被加在相对安放的两个平板电极上，在其相对安放的两个平板电极上，在其间通过反应气体并产生相应的等离间通过反应气体并产生相应的等离子体。在等离子体产生的活性基团子体。在等离子体产生的活性基团的参与下，在衬底上实现薄膜的沉的参与下，在衬底上实现薄膜的沉积。积。第38页，此课件共38页哦