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1、会计学 1气相沉积(chnj)法分解第一页，共40页。n n第一节第一节 概述概述n n一、气相沉积技术一、气相沉积技术(vapor deposition)(vapor deposition)n n通过气态物质或使材料气化后，使其沉积于固体通过气态物质或使材料气化后，使其沉积于固体(gt(gt)材材n n料或制品（基片）表面并形成固态沉积物的技术。料或制品（基片）表面并形成固态沉积物的技术。2第 1页/共 40页第二页，共40页。n n 二、气相沉积技术类型：二、气相沉积技术类型：n n 2.1 2.1 物理 物理(wl(wl)气相沉积：（气相沉积：（PVD)PVD)n n(1)(1)蒸发冷凝
2、 蒸发冷凝(2)(2)溅射镀膜 溅射镀膜n n(3)(3)离子镀膜 离子镀膜n n 2.2 2.2 化学气相沉积：化学气相沉积：(CVD)(CVD)n n(1)(1)常压、低压 常压、低压CVD(APCVD,LPCVD)CVD(APCVD,LPCVD)n n(2)(2)等离子辅助 等离子辅助CVD(PCVD)CVD(PCVD)n n(3)(3)激光（电子束）辅助 激光（电子束）辅助CVD(LCVD)CVD(LCVD)n n(4)(4)有机金属化合物 有机金属化合物CVD(MOCVD)CVD(MOCVD)3第 2页/共 40页第三页，共40页。4ll 原材料被加热至蒸发温度(wnd)时蒸发成气相
3、；ll 气相的原材料原子与惰性气体的原子（或分子）碰撞，迅速降低能量而骤然冷却；ll 骤冷使得原材料的蒸汽中形成很高的局域过饱和，有利于成核；ll 形成原子簇，然后继续生长成纳米微晶ll 在收集器上收集三、物理(wl)气相沉积3.1 蒸发(zhngf)-冷凝法基本原理第 3页/共 40页第四页，共40页。3.2 特点(tdi n)n n 在高真空的条件下，金属 在高真空的条件下，金属n n 试样经蒸发后冷凝。试样经蒸发后冷凝。n n 高纯度；高纯度；n n 粒径分布窄；粒径分布窄；n n 良好 良好(lingh(lingh o)o)结晶和 结晶和清洁表面；清洁表面；n n 粒度易于控制 粒度易
4、于控制5第 4页/共 40页第五页，共40页。电阻加热方式(fngsh)等离子体加热方式(fngsh)激光加热方式(fngsh)电子束加热方式(fngsh)高频感应加热方式(fngsh)3.3 能量(nngling)输入方式6第 5页/共 40页第六页，共40页。第二节 化学(huxu)气相沉积法l l 化学气相沉积 化学气相沉积(CVD)(CVD)的发展 的发展l l CVD CVD基本原理 基本原理l l CVD CVD的特点 的特点l l CVD CVD工艺及设备 工艺及设备l l CVD CVD系统 系统(xt(xt ng)ng)的分类 的分类7第 6页/共 40页第七页，共40页。一
5、、化学(huxu)气相沉积发展古人类在取暖或烧烤(sho k o)时在岩洞壁或岩石上的黑色碳层20世纪50年代主要用于道具(doj)涂层80年代低压CVD成膜技术成为研究热潮近年来PECVD、LCVD等高速发展20世纪60-70年代用于集成电路第 7页/共 40页第八页，共40页。二、CVD基本原理n n1.1.化学气相沉积的定义化学气相沉积的定义n n利利用用气气态态物物质质(wzh)(wzh)通通过过化化学学反反应应在在基基材材表表面面形形成固态沉成固态沉n n积物的一种技术。积物的一种技术。n n 化学气相沉积（化学气相沉积（CVDCVD）n n Chemical Vapor Depos
6、ition Chemical Vapor Depositionn nCVDCVD反反应应范范指指反反应应物物为为气气体体而而生生成成物物之之一一为为固固体体的的n n化学反应。化学反应。9第 8页/共 40页第九页，共40页。2.化学气相沉积(chnj)工艺及设备气相反 应 室加 热(ji r)系 统气体(qt)控制系统排气系 统CVD 装置第 9页/共 40页第十页，共40页。3.CVD反应体系必须(bx)具备三个条件3.1 CVD化学反应方式(fngsh)：1）反应气体间的反应；2）气相与基体表面间的反应3.2 条件 原料：反应物具有较高的蒸气压；产物：反应副产物易于挥发；反应类型：反应易
7、于控制11第 10页/共 40页第十一页，共40页。反 反 应 应(f(f nyng)nyng)气 气 体 体 被 被 输 输 送 送 到 到 反 反 应 应(f(f nyng)nyng)室内 室内 反应 反应(f(f nyng)nyng)气体向基片表面扩散；气体向基片表面扩散；反应 反应(f(f nyng)nyng)气体吸附于基片表面；气体吸附于基片表面；在基片表面发生化学反应 在基片表面发生化学反应(f(f nyng)nyng)；气相副产物脱离基片表面 气相副产物脱离基片表面 CVD CVD反 反应 应(f(f nyng)nyng)速 速率 率取 取决 决于 于最 最慢的步骤 慢的步骤12
8、4.CVD 基本(jbn)过程浓度边界层模型：第 1 1页/共 40页第十二页，共40页。131.1.反应气体以合理的流速被输送到反应室内 反应气体以合理的流速被输送到反应室内(sh ni)(sh ni)，气流从入口进入反应室并以平流形式（主气流区，气流从入口进入反应室并以平流形式（主气流区，气体流速不变）向出口流动；气体流速不变）向出口流动；2.2.反应气体从主气流区以扩散方式通过边界层到达衬 反应气体从主气流区以扩散方式通过边界层到达衬底表面，边界层是主气流区与基片表面之间气流速 底表面，边界层是主气流区与基片表面之间气流速度受到扰动的气体薄层；度受到扰动的气体薄层；3.3.反应气体被吸附
9、在硅片的表面，成为吸附原子 反应气体被吸附在硅片的表面，成为吸附原子(分子 分子)4.4.吸附原子 吸附原子(分子 分子)在衬底表面发生化学反应；在衬底表面发生化学反应；5.5.化学反应的气态副产物和未反应的反应气体离开衬 化学反应的气态副产物和未反应的反应气体离开衬底表面，进入主气流区被排出系统。底表面，进入主气流区被排出系统。第 12页/共 40页第十三页，共40页。热分解反应(fnyng)氧化(ynghu)还原反应化学合成反应(fnyng)化学输运反应等离子增强反应其他能源增强增强反应14n n 5.5.常见常见CVDCVD反应类型反应类型第 13页/共 40页第十四页，共40页。n n
10、5.1 5.1 热分解反应（吸热反应）热分解反应（吸热反应）n n 在真空或惰性气体保护下在真空或惰性气体保护下n n n n 主要问题主要问题(wnt)(wnt)：n n 源物质的选择（蒸汽压温度）源物质的选择（蒸汽压温度）n n 确定分解温度（不同温度下的产物）确定分解温度（不同温度下的产物）15第 14页/共 40页第十五页，共40页。热分解(fnji)反应类型（1）氢化物分解(fnji)（2）金属有机(yuj)化合物分解（M-C键能小于C-C键）16第 15页/共 40页第十六页，共40页。（3）氢 化 物 和 金 属 有 机(y uj)化 合 物 系 统 的热分解（4）其它(qt)气
11、态络合物、复合物的热分解羰 基(tn j)化合物：单氨络合物：17第 16页/共 40页第十七页，共40页。5.2 化学合成反应(f nyng)两种或两种以上的气态反应物在热基片上发生的相互(xingh)反应。18第 17页/共 40页第十八页，共40页。5.3 化学输运(sh yn)反应l将待沉积物作为源物质（无挥发性物质），借助(jizh)l 适当的气体介质（输运剂），在高温区反应形成l 气态化合物；l气态化合物经化学迁移或物理输运到低温沉积区，l 在基片上通过逆反应使源物质重新分解出来。输运反应通式(tngsh)：源物质为A，输运剂为B源区 T2沉积区 T119第 18页/共 40页第十
12、九页，共40页。温度梯度2.5/cm低温(dwn)区T1=T2-13.5 高温区T2=85086020第 19页/共 40页第二十页，共40页。三、化学 三、化学(huxu)(huxu)气相沉积的特点 气相沉积的特点优点(yudi n)l 可制作金属、非金属薄膜；l 生长温度可低于材料的熔点；l 纯 度 高、致 密 性 好、残 余 应 力 小、结 晶(jijng)良好；l 易实现掺杂；l 结构控制21第 20页/共 40页第二十一页，共40页。缺点(qudi n)l 参与沉积的反应源和反应后的气体易燃、易l 爆或有毒；l 反应温度太高（尽管低于物质的熔点(rngdi n)）；l 对基片进行局部
13、表面镀膜时很困难22第 21页/共 40页第二十二页，共40页。4.1 反应器结构(jigu)：水平、直立23四、化学(huxu)气相沉积工艺及设备气流(qli)垂直于基片，气流(qli)以基板为中心均匀分布薄膜的均匀性差第 22页/共 40页第二十三页，共40页。开口体系(t x)CVD 的特点：l l 能连续地供气和排气；能连续地供气和排气；l l 反应 反应(f(f nyng)nyng)总处于非平衡状态，有利于形成薄膜沉 总处于非平衡状态，有利于形成薄膜沉积层；积层；l l 工艺容易控制。工艺容易控制。244.2 开口(ki k u)式、封闭式第 23页/共 40页第二十四页，共40页。
14、封闭式（闭管沉积(chnj)系统）CVD原理：把一定量的反应物和适当的 基体分别放在反应器的两端，抽空(chu kng)后充入一定的输运气体，密封；将反应器置于双温区炉内，形成温度梯度；温度梯度造成的负自由能变化 是传输反应的推动力；物料从闭管的一端传输到另一 端并沉积下来。25第 24页/共 40页第二十五页，共40页。闭管法的特点：优点：污染少；不必连续抽气(chu q)保持真空，可以沉积蒸气压高 的物质闭管法的缺点：材料生长速率慢，不适合(shh)大批量生长；一次性反应器，生长成本高26第 25页/共 40页第二十六页，共40页。冷壁：器壁和原料区都不加热，仅基片被加热 有较大温差；适合
15、反应物在室温下是气体或具有(jy u)较高蒸气压的液体。热壁：器壁和原料区加热 管壁有反应物沉积，易剥落(blu)造成污染。274.3 反应(f nyng)室的热源第 26页/共 40页第二十七页，共40页。28l 基 片 温 度 低，反 应(f nyng)速 率 由 表 面 反 应(f nyng)速率控制；l 基片温度高，反应(f nyng)物及副产物的扩散速率为l 决定反应(f nyng)速率的主要因素。第 27页/共 40页第二十八页，共40页。（一）（一）低压低压(dy)(dy)化学气相沉积化学气相沉积（LPCVDLPCVD）开管系统：Atmosphere Pressure CVD(A
16、PCVD)。1.1 Low Pressure CVD（LPCVD）与APCVD差别：低压(dy)下气体扩散系数增大；气态反应物和副产物的质量传输速率快；形成薄膜的反应速率增加29五、CVD系统(xt ng)的分类第 28页/共 40页第二十九页，共40页。1.2 LPCVD特点(tdi n)薄膜质量高 低气压下气体浓度能快 速达到均一；薄膜结构完整性好；沉积速率较慢 沉积过程主要由表面反应速率控制；对温度变化极为敏感LPCVD工艺重复性优于APCVD。30第 29页/共 40页第三十页，共40页。（二）（二）等离子化学等离子化学(huxu)(huxu)气相沉积（气相沉积（P-P-CVDCVD）
17、在普通CVD技术中，产生沉积反应所需要的能量是各种方式加热(ji r)基片和反应气体，薄膜沉积温度一般较高（多数在9002000）。高温CVD缺陷：容易引起基片变形；降低基片的机械性能；基片材料与膜层材料在高温下会相互扩散31第 30页/共 40页第三十一页，共40页。2.1 等离子化学气相沉积（P-CVD）：辉光放电(fng din)形成低温等离子体 激活化学气相沉积反应32高能量第 31页/共 40页第三十二页，共40页。2.2 等离子体(dnglz t)在CVD中的作用：l降低反应温度：将反应物气体分子激活成活性离子；l提高成膜速率：加速反应物在表面的扩散作用；l提高薄膜和基片的附着力：
18、对基片和薄膜具有溅l 射清洗作用，溅射掉结合不牢的粒子；l薄膜的厚度均匀(jnyn)：由于原子、分子、离子和电子l 相互碰撞33第 32页/共 40页第三十三页，共40页。2.3 P-CVD的优点(yudi n)：l 低温成膜（300-350）：l 对基片影响小，避免高温带来的膜层晶粒粗大 l 及膜层和基片间形成脆性相；l 提高薄膜质量：l 膜厚及成分较均匀、膜层致密l 扩大(kud)CVD应用范围：l 金属、无机、有机聚合物34第 33页/共 40页第三十四页，共40页。（三）MOCVD利 用 有 机 金 属 化 合 物 的 热 分 解 反 应(f nyng)进 行 气 相 外延生长薄膜的C
19、VD 技术。3.1 原料化合物必须满足：常温下稳定且容易(rngy)处理 反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污 染生长层；室温附近应具有适当的蒸气压35第 34页/共 40页第三十五页，共40页。满足此条件的原材料有：金属的烷基(wn j)或芳基衍生物烃基衍生物乙酰丙酮基化合物羰基化合物36第 35页/共 40页第三十六页，共40页。3.2 MOCVD的优点：沉积温度低：减少了自污染，提高了薄膜纯度；对衬底取向(q xin)要求低；沉积速率易于控制：沉积过程不存在刻蚀反应；制备广；反应装置容易设计：生长温度范围较宽，易于控制，可大批量生产；37第 36页/共 40页第三十七页，共40页。3.3
20、 MOCVD的主要(zh yo)缺点：l安全问题：l杂质：l 反应温度低，有些金属有机化合物在气相中就l 发生反应，生成固态微粒再沉积(chnj)在衬底表面，l 形成薄膜中的杂质颗粒，破坏膜的完整性。38第 37页/共 40页第三十八页，共40页。一些(yxi)碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉积条件39第 38页/共 40页第三十九页，共40页。化学气相沉积(chnj)习题和思考题l CVD技术合成材料的原理？CVD反应体系必须具备的条件？l CVD化学(huxu)输运反应沉积法的原理及应用？l 冷壁CVD、热壁CVD的区别及特点？l P-CVD和MO-CVD工作原理？40第 39页/共 40页第四十页，共40页。