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1、化学气相沉积现在学习的是第1页，共21页表表2.4 CVD和和PVD方法的比较方法的比较项项 目目PVDCVD物质源物质源生成膜物质的蒸气，反应气生成膜物质的蒸气，反应气体体含有生成膜元素的化合物蒸含有生成膜元素的化合物蒸气，反应气体等气，反应气体等激活方法激活方法消耗蒸发热，电离等消耗蒸发热，电离等提供激活能，高温，化学自提供激活能，高温，化学自由能由能制作温度制作温度2502000（蒸发源）（蒸发源）25至合适温度（基片）至合适温度（基片）1502000（基片）（基片）成膜速率成膜速率5250251500用途用途装饰，电子材料，光学装饰，电子材料，光学材料精制，装饰，表面保材料精制，装饰，
2、表面保护，电子材料护，电子材料可制作薄可制作薄膜的材料膜的材料所有固体（所有固体（C、Ta、W困困难）、卤化物和热稳定化难）、卤化物和热稳定化合物合物碱及碱土类以外的金属（碱及碱土类以外的金属（Ag、Au困难）、碳化物、氮化物、困难）、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、硫化物、硒化硼化物、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、金属化合物、合金物、碲化物、金属化合物、合金现在学习的是第2页，共21页化学气相沉积技术的优点化学气相沉积技术的优点v 由由于于CVD法法是是利利用用各各种种气气体体反反应应来来制制成成薄薄膜膜，所所以以可可任意控制薄膜组成，从而制得许多新的膜材。任意控制薄膜组成，从而制得许多新
3、的膜材。v 采采用用CVD法法制制备备薄薄膜膜时时，其其生生长长温温度度显显著著低低于于薄薄膜膜组组成成物物质质的的熔熔点点，所所得得膜膜层层均均匀匀性性好好，具具有有台台阶阶覆覆盖盖性性能能，适宜于复杂形状的基板。适宜于复杂形状的基板。v 由由于于其其具具有有淀淀积积速速率率高高、膜膜层层针针孔孔少少、纯纯度度高高、致致密密、形形成成晶晶体体的的缺缺陷陷较较少少等等特特点点，因因而而化化学学气气相相沉沉积积的的应应用用范围非常广泛。范围非常广泛。现在学习的是第3页，共21页用于用于CVD化学反应的几种类型化学反应的几种类型v CVD法法可可制制成成各各种种薄薄膜膜和和形形成成不不同同薄薄膜膜
4、组组成成，能能制制备备出出单单质质、化化合合物物、氧氧化化物物和和氮氮化化物物等等薄薄膜膜。在在CVD法法中中应应用用了了许许多多化化学学反反应应。运运用用各各种种反反应应方方式式，选选择择相相应应的的温温度度、气体组成、浓度、压力等参数就能得到各种性质的薄膜。气体组成、浓度、压力等参数就能得到各种性质的薄膜。v 最最早早采采用用的的CVD化化学学反反应应方方式式是是用用于于金金属属精精制制的的氢氢还还原原、化化学学输输送送反反应应等等。现现在在得得到到应应用用的的反反应应方方式式有有加加热热分分解解、氧氧化化、与与氨氨反反应应、等等离离子子体体激激发发等等，也也开开发发激发的激发的CVD法。
5、下面概述这些反应方式的特性。法。下面概述这些反应方式的特性。现在学习的是第4页，共21页（1）热分解反应）热分解反应v 现现在在热热分分解解法法制制备备薄薄膜膜的的典典型型应应用用是是半半导导体体中中的的外外延延薄薄膜膜制制备备、多多晶晶硅硅薄薄膜膜制制备备等等。甲甲硅硅烷烷（SiH4）在在低低温温下下容容易易分分解解，可可在在基基片片上上形形成成硅硅薄膜。薄膜。现在学习的是第5页，共21页（2）还原反应）还原反应a.a.氢还原反应氢还原反应v 氢氢还还原原反反应应的的典典型型应应用用是是半半导导体体技技术术中中的的外外延延生生长长。使使用用氢氢还还原原反反应应可可以以从从相相应应的的卤卤化化
6、物物制制作作出出硅硅、锗锗、钼钼、钨钨等半导体和金属薄膜。等半导体和金属薄膜。v 氢氢还还原原反反应应不不同同于于热热分分解解反反应应，是是可可逆逆的的。因因而而，反反应应温温度度、氢氢与与反反应应气气体体的的浓浓度度比比、压压力力等等都都是是很很重重要要的的反应参数。反应参数。现在学习的是第6页，共21页（b）由金属产生的还原反应）由金属产生的还原反应v 这这种种反反应应是是还还原原卤卤化化物物，用用其其他他金金属属置置换换硅硅的的反反应应。在在半半导导体体器器件件制制造造中中还还未未得得到到应应用用，但已用于硅的精制上。但已用于硅的精制上。现在学习的是第7页，共21页（3）氧化反应、氮化反
7、应、碳化反应制备氧化物、氮化）氧化反应、氮化反应、碳化反应制备氧化物、氮化物、碳化物物、碳化物v 氧氧化化反反应应主主要要用用于于在在基基片片上上制制备备氧氧化化物物薄薄膜膜。氧氧化化物物薄薄膜膜有有SiO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5等等。一一般般使使用用这这些些膜膜材材料料的的相相应应卤卤化化物物、氧氧氯氯化化物物、氢氢化化物物、有有机机化化合合物物等等与与各各种种氧氧化化剂剂反反应制作薄膜。应制作薄膜。v 制备制备SiO2薄膜一般采用氧化薄膜一般采用氧化SiH4的方法。的方法。现在学习的是第8页，共21页（4）由基片产生的还原反应）由基片产生的还原反应v 这这种种反反应应发发生生在
8、在基基片片表表面面上上，反反应应气气体体被被基基片片表表面面还还原原生生成成薄薄膜膜。典典型型的的反反应应是是钨钨的的氟氟化化物物与与硅硅。在在硅硅表表面面上上与与硅硅发发生生如如下下反反应应，钨钨被被硅硅置置换换，沉沉积积在在硅硅上上，这这时时如如有有氢氢存存在在，反应也包含有氢还原：反应也包含有氢还原：现在学习的是第9页，共21页（5）化学输送反应）化学输送反应v 这这种种反反应应在在高高温温区区被被置置换换的的物物质质构构成成卤卤化化物物或或者者与与卤卤素素反反应应生生成成低低价价卤卤化化物物。它它们们被被输输送送到到低低温温区区域域，在在低低温温区区域由非平衡反应在基片上形成薄膜。域由
9、非平衡反应在基片上形成薄膜。v 这这种种反反应应不不仅仅用用于于硅硅膜膜制制取取，而而且且用用于于制制备备-族族化化合物半导体，此时把卤化氢作为引起输送反应的气体使用。合物半导体，此时把卤化氢作为引起输送反应的气体使用。现在学习的是第10页，共21页（6）复杂化学反应）复杂化学反应v 除上述六类反应外，另外还有等离子体激发除上述六类反应外，另外还有等离子体激发反应，光激发反应以及激光激发反应等。反应，光激发反应以及激光激发反应等。现在学习的是第11页，共21页二、二、化学气相沉积的类型化学气相沉积的类型 CVD技技术术可可按按照照沉沉积积温温度度、反反应应器器内内的的压压力力、反反应应器器壁壁
10、的温度和沉积反应的激活方式进行分类。的温度和沉积反应的激活方式进行分类。v（1）按按沉沉积积温温度度可可分分为为低低温温（200500）、中中温温（5001000）和高温（）和高温（10001300）CVD。v（2）按反应器内的压力可分为常压）按反应器内的压力可分为常压CVD和低压和低压CVD。v（3）按反应器壁的温度可分为热壁方式和冷壁方式）按反应器壁的温度可分为热壁方式和冷壁方式CVD。v（4）按按反反应应激激活活方方式式可可分分为为热热激激活活和和等等离离子子体体激激活活CVD等。等。现在学习的是第12页，共21页三、三、CVD的工艺方法及特点的工艺方法及特点v 各各种种CVD装装置置都
11、都包包括括以以下下主主要要部部分分，即即加加热热部部分分，反反应应室室，气气体体控制系统，气体排出系统，如图控制系统，气体排出系统，如图2.5所示。所示。现在学习的是第13页，共21页现在学习的是第14页，共21页v图图2.6为为几种几种CVD反应器示意图反应器示意图 (a)立式开管立式开管CVD装置；装置；(b)转筒式开管转筒式开管CVD装置；装置；(c)卧式开管卧式开管CVD装置；装置；（d）闭管）闭管CVD装置装置现在学习的是第15页，共21页v 开管系统一般由反应器、气体净化系统、气开管系统一般由反应器、气体净化系统、气体计量控制、排气系统及尾气处理等几部分体计量控制、排气系统及尾气处
12、理等几部分组成。组成。v 其主要特点是能连续地供气和排气，整个沉其主要特点是能连续地供气和排气，整个沉积过程气相副产物不断被排出，有利于沉积积过程气相副产物不断被排出，有利于沉积薄膜的形成；而且工艺易于控制，成膜厚度薄膜的形成；而且工艺易于控制，成膜厚度均匀，重现性好，工件容易取放，同一装置均匀，重现性好，工件容易取放，同一装置可反复使用。可反复使用。v开管法通常在常压下进行，但也可在真空下开管法通常在常压下进行，但也可在真空下进行。进行。现在学习的是第16页，共21页v闭管反应器使源物质端处于高温区，生长端闭管反应器使源物质端处于高温区，生长端位于低温区，在精确控制的温度范围内进行位于低温区
13、，在精确控制的温度范围内进行化学输运反应沉积。化学输运反应沉积。v闭管法的优点是反应物与生成物不会被污染，闭管法的优点是反应物与生成物不会被污染，不必连续抽气就可以保持反应器内的真空，不必连续抽气就可以保持反应器内的真空，对于必须在真空条件进行的沉积十分方便。对于必须在真空条件进行的沉积十分方便。v但其缺点是沉积速率慢，不适于批量生产，但其缺点是沉积速率慢，不适于批量生产，且反应管（一般为高纯石英管）只能使用一且反应管（一般为高纯石英管）只能使用一次，生产成本高。次，生产成本高。现在学习的是第17页，共21页（2）源物质的确定）源物质的确定v CVD最理想的源物质是气态源物质，其流量调节方便最
14、理想的源物质是气态源物质，其流量调节方便测量准确，又无需控制其温度，可使沉积系统大为简化。测量准确，又无需控制其温度，可使沉积系统大为简化。所以，只要条件允许，总是优先采用气态源。所以，只要条件允许，总是优先采用气态源。v 在没有合适气态源的情况下，可采用高蒸气压的液态物质。在没有合适气态源的情况下，可采用高蒸气压的液态物质。如如AsCl3、PCl3、SiCl4等，用载气体（如等，用载气体（如H2、He、Ar）流过液体表面或在液体内部鼓泡，携带其饱和蒸气进流过液体表面或在液体内部鼓泡，携带其饱和蒸气进入反应系统。入反应系统。v 在既无合适的气态源又无具有较高蒸气压的液态源的在既无合适的气态源又
15、无具有较高蒸气压的液态源的情况下，就只得采用固体或低蒸气压的液体为源物质了，情况下，就只得采用固体或低蒸气压的液体为源物质了，通常是选择合适的气态物质与之发生气通常是选择合适的气态物质与之发生气-固或气固或气-液反应，液反应，形成适当的气态组分向沉积区输送。形成适当的气态组分向沉积区输送。现在学习的是第18页，共21页（3）重要的工艺参数）重要的工艺参数v CVD中影响薄膜质量的主要工艺参数有反应气体组成、中影响薄膜质量的主要工艺参数有反应气体组成、工作气压、基板温度、气体流量及原料气体的纯度等。工作气压、基板温度、气体流量及原料气体的纯度等。其中其中温度温度是最重要的影响因素。是最重要的影响
16、因素。v 由于不同反应体系沉积机制不同，沉积温度对不同沉由于不同反应体系沉积机制不同，沉积温度对不同沉积反应影响的程度是不同的。而对于同一反应体系，不积反应影响的程度是不同的。而对于同一反应体系，不同的沉积温度将决定沉积材料是同的沉积温度将决定沉积材料是单晶、多晶、无定形物，单晶、多晶、无定形物，甚至不发生沉积。一般说来，沉积温度的升高对表面过程的甚至不发生沉积。一般说来，沉积温度的升高对表面过程的影响更为显著。影响更为显著。现在学习的是第19页，共21页四、四、CVD工艺的特点和应用工艺的特点和应用v CVD制备薄膜的优点突出，既可以沉积金属薄膜，又可制备薄膜的优点突出，既可以沉积金属薄膜，
17、又可以制取非金属薄膜，且成膜速率快，同一炉中可放置大量以制取非金属薄膜，且成膜速率快，同一炉中可放置大量基板或工件；基板或工件；v CVD的绕射性好，对于形状复杂的表面或工件的深孔、的绕射性好，对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔等都能均匀覆膜；由于成膜温度高，反应气体、反细孔等都能均匀覆膜；由于成膜温度高，反应气体、反应产物和基体的相互扩散，使膜的残余应力小，附着力应产物和基体的相互扩散，使膜的残余应力小，附着力好，且膜致密，结晶良好；好，且膜致密，结晶良好；v 另外，另外，CVD是在高饱和度下进行的，成核密度高，且沉是在高饱和度下进行的，成核密度高，且沉积中分子或原子的平均自由程大，这些都有利于形成均匀积中分子或原子的平均自由程大，这些都有利于形成均匀平滑的薄膜。平滑的薄膜。现在学习的是第20页，共21页四、四、CVD工艺的特点和应用工艺的特点和应用v但但CVD也有明显的缺点，这就是反应温度太也有明显的缺点，这就是反应温度太高，一般在高，一般在1000左右，而许多基材难以承左右，而许多基材难以承受这样的高温，因而限制了它的应用范围。受这样的高温，因而限制了它的应用范围。现在学习的是第21页，共21页