表面科學(xué)與技術(shù)(1)

1、 XINYU UNIVERSITY成 績批閱老師表面科學(xué)與技術(shù)課程作業(yè)作業(yè)題目 化學(xué)氣相沉積 二級學(xué)院 新能源科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 材料物理 班 級 13材料物理 學(xué) 號 1303210012 學(xué)生姓名 蒲敏勝 授課教師 王發(fā)輝 學(xué)習(xí)表面科學(xué)與技術(shù)課程的心得體會化學(xué)氣相沉積姓名：蒲敏勝 ，學(xué)號：1303210012化學(xué)氣相沉積一 摘要： 化學(xué)氣相沉積CVD是利用加熱，等離子體激勵或光輻射等方法，使氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并以原子態(tài)沉積在置于適當(dāng)位置的襯底上，從而形成所需要的固態(tài)薄膜或涂層的過程。一般地說，化學(xué)氣相沉積可以采用加熱的方法獲取活化能，這需要在較高的溫度下進(jìn)行；也可以采用等

2、離子體激發(fā)或激光輻射等方法獲取活化能，使沉積在較低的溫度下進(jìn)行。另外，在工藝性質(zhì)上，由于化學(xué)氣相沉積是原子尺度內(nèi)的粒子堆積，因而可以在很寬的范圍內(nèi)控制所制備薄膜的化學(xué)計量比；同時通過控制涂層化學(xué)成分的變化，可以制備梯度功能材料或得到多層涂層。在工藝過程中，化學(xué)氣相沉積常常在開放的非平衡狀態(tài)下進(jìn)行，根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，利用化學(xué)氣相沉積可以獲得多種晶體結(jié)構(gòu)。在工藝材料上，化學(xué)氣相沉積涵蓋無機(jī)、有機(jī)金屬及有機(jī)化合物，幾乎可以制備所有的金屬，非金屬及其化合物沉積層。另外，由于氣態(tài)原子或分子具有較大的轉(zhuǎn)動動能，可以在深孔、階梯、洼面或其他形狀復(fù)雜的襯底及顆粒材料上進(jìn)行沉積。為使沉積層達(dá)到所需要的性能，對氣

3、相反應(yīng)必須精確控制。二：化學(xué)氣相沉積原理化學(xué)氣相沉積過程分為四個重要階段；反應(yīng)氣體向基體表面擴(kuò)散，反應(yīng)氣體吸附于基體表面，在基體表面上產(chǎn)生的氣相副產(chǎn)物脫離表面，留下的反應(yīng)產(chǎn)物形成覆層。利用化學(xué)氣相沉積制備薄膜材料首先要選定一個或幾個合理的沉積反應(yīng)。根據(jù)化學(xué)氣相沉淀過程的需要，所選擇的化學(xué)反應(yīng)通常應(yīng)該滿足： 2.1反應(yīng)物質(zhì)在室溫或不太高的溫度下最好是氣態(tài)，或由很高的蒸氣壓，且有很高的純度； 2.2通過沉積反應(yīng)能夠形成所需要的材料沉積層； 2.3反應(yīng)易于控制。用于化學(xué)氣相沉淀的化學(xué)反應(yīng)有多種類型，其反應(yīng)原理與特點(diǎn)介紹如下：（1）熱分解反應(yīng) 氣態(tài)氫化物、羰基化合物以及金屬有機(jī)化合物與高溫襯底表面接觸

4、，化合物高溫分解或熱分解沉積而形成薄膜。 例如：SiH4 Si+2H2 Ni(CO)4 Ni+4CO （2）氧化反應(yīng) 含薄膜元素的化合物與氧氣一同進(jìn)入反應(yīng)器，形成氧化反應(yīng)在陳地上沉 積薄膜。 例如：SiH4+O2 SiO2+2H2 a還原反應(yīng)用氫、金屬或基材作還原劑還原氣態(tài)鹵化物，在襯底上沉積形成純金屬膜或多晶硅膜。 b水解反應(yīng) 鹵化物與水作用制備氧化物薄膜或晶須。 C 可逆輸送 化學(xué)轉(zhuǎn)化或輸運(yùn)過程的特征是在同一反映其維持在不同溫度的源區(qū)和沉淀區(qū)的可逆的化學(xué)反應(yīng)平衡狀態(tài)。三：化學(xué)氣相沉積的類型化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)有多種分類方法，以主要特征進(jìn)行綜合分類，可分為熱化學(xué)氣相沉積（TCVD）、低

5、壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等。3.1 熱化學(xué)氣相沉積（TCVD）熱化學(xué)氣相沉積是指采用襯底表面熱催化方式進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積。該方法沉積溫度較高，一般在8001200左右，這樣的高溫使沉底的選擇受到很大限制，但它是化學(xué)氣相沉積的經(jīng)典方法。3.1.1 熱化學(xué)氣相沉積裝置熱化學(xué)氣相沉積裝置，它包括相互關(guān)聯(lián)的三個部分：氣相供應(yīng)系統(tǒng)、沉積室或反應(yīng)室以及排氣系統(tǒng)。3.1.2影響沉積質(zhì)量的因素（1） 化學(xué)反應(yīng) 對于同一種沉積材料，采用不同的沉積反應(yīng)，其沉積質(zhì)量是不一樣的。這種影響主要來自兩個方面：一是沉積反應(yīng)不同引起沉積速度的變化

6、，沉積速度的變化有影響相關(guān)的擴(kuò)散過程和成膜過程，從而改變薄膜的結(jié)構(gòu)；二是沉積反應(yīng)往往伴隨著一系列的摻雜副反應(yīng)，反應(yīng)不同導(dǎo)致薄膜組分不同，從而影響沉積質(zhì)量。（2） 沉積溫度 沉積溫度是化學(xué)氣相過程最重要的工藝條件之一，它影響沉積過程的各個方面。首先，它影響氣體的質(zhì)量輸送過程。溫度不同，反應(yīng)氣體和氣態(tài)產(chǎn)物的擴(kuò)散系數(shù)不同，導(dǎo)致反應(yīng)界面氣相的過飽和度和氣象物種沉積出固相的相對活度不同，從而影響薄膜的形核率，改變薄膜的組成和性能。其次，它影響界面反應(yīng)。一般地說，沉積溫度的升高可以顯著增加界面反應(yīng)速率，可能導(dǎo)致表面控制向質(zhì)量遷移控制的轉(zhuǎn)化，傾向于得到柱狀晶組織。第三，溫度同樣影響新生態(tài)固體院子的重排過程。

7、溫度越高，新生態(tài)固體態(tài)原子的能量越高，相應(yīng)地能夠躍過重排能壘而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的原子越多，從而獲得越加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。（3） 氣體壓力 在化學(xué)氣相沉積的實踐中，為獲得外延單晶薄膜材料，常使反應(yīng)氣體保持較低的分壓。與此相反，當(dāng)需要細(xì)晶粒薄膜時，則使反應(yīng)氣體的分壓保持在較高的水平上。這說明反應(yīng)氣體的分壓是影響沉積質(zhì)量的重要因素。一般地說，氣相沉積的必要條件使反應(yīng)氣體具有一定的過飽和度，這種過飽和狀態(tài)是薄膜形核生長的驅(qū)動力。當(dāng)反應(yīng)氣體分壓較小時，較低的過飽和度難以想成新的晶核，薄膜便以襯底表面原子為晶核種子進(jìn)行生長，由此可以得到外延單晶薄膜材料。而當(dāng)反應(yīng)氣體分壓較大時，較高的飽和度可形成大量晶核，并在生長過

8、程中不斷形成，最后生長成為單晶組織。在沉積多元組分的材料時，各反應(yīng)氣體分壓的比例直接決定沉積材料的化學(xué)計量比，從而影響材料的性能。3.2 低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）從本質(zhì)上講，低壓化學(xué)氣相沉積（約10kpa）是相對于常壓化學(xué)氣相沉積而言的。由于反應(yīng)器工作壓力的降低大大增強(qiáng)了反應(yīng)氣體的質(zhì)量輸送速度，從而使低壓化學(xué)氣相沉積呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)，因此，低壓化學(xué)氣相沉積在半導(dǎo)體工藝中得到了廣泛的應(yīng)用。3.2.1低壓化學(xué)氣相沉積的基本原理在常壓下，質(zhì)量遷移速度與表面反應(yīng)速度通常是以相同的數(shù)量級增加的；而在低壓下，質(zhì)量遷移速度的增加遠(yuǎn)比界面反應(yīng)速度快。反應(yīng)氣體穿過邊界層，當(dāng)工作壓力從1.0×105

9、Pa降至70130Pa時，擴(kuò)散系數(shù)增加約1000倍。因此，在低壓化學(xué)氣相沉積中，界面反應(yīng)是速度控制步驟。由此可以推斷：低壓CVD在一般情況下提供更好的膜厚度均勻性、階梯覆蓋性和結(jié)構(gòu)完整性。當(dāng)然，反應(yīng)速率與反應(yīng)氣體的分壓成正比，因此，系統(tǒng)工作壓力的降低應(yīng)主要依靠減少載氣用量來完成。3.2.2低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)半導(dǎo)體工業(yè)涂覆硅晶片用低壓化學(xué)氣相沉積裝置，該反應(yīng)系統(tǒng)采用臥式反應(yīng)器，具有較高的生產(chǎn)能力；它的基座水平放置在熱壁爐內(nèi)，可以非常精確地控制反應(yīng)速度，減少設(shè)備的復(fù)雜程度；另外，它采用垂直密集裝片方式，更進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。3.3 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）3.3.1等離子體

10、增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積及其特點(diǎn)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積又稱為等離子體輔助CVD，是在傳統(tǒng)CVD基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的制膜技術(shù)。它是借助于外部電場的作用引起放電，使前驅(qū)氣體成為等離子體狀態(tài)，等離子體激活前驅(qū)期體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在襯底上生長薄膜的方法。特別適用于功能材料薄膜和化合物膜的合成，并顯示出許多優(yōu)點(diǎn)。相對于TCVD、真空蒸鍍和濺射而言，被視為第二代薄膜技術(shù)。PECVD技術(shù)的特點(diǎn)如下：（1） 實現(xiàn)了薄膜沉積工藝的低溫化。（2） 可俗語薄膜以獨(dú)特的性能。 一些按熱平衡理論不能發(fā)生的反應(yīng)和不能獲得的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，在PECVD系統(tǒng)中將可能發(fā)生。例如體積分?jǐn)?shù)為1%的甲烷在H2中的混合物熱解時，在熱平衡的C

11、VD中得到的是石墨薄膜，而在非平衡的等離子體化學(xué)氣相沉積中可以得到金剛是薄膜?？梢灶A(yù)料，PECVD系統(tǒng)中將可能獲得的準(zhǔn)穩(wěn)結(jié)構(gòu)將賦予薄膜以獨(dú)特的特性。（3） 可用于生長界面陡峭的多層結(jié)構(gòu)。在PECVD的低溫沉積條件下，如果沒有等離子體，沉積反應(yīng)幾乎不會發(fā)生。而一旦有等離子體存在，沉積反應(yīng)就能以適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行。這樣一來，可以把等離子體作為沉積反應(yīng)的開關(guān)，用于開始和停止沉積反應(yīng)。由于等離子體開關(guān)的反應(yīng)時間相當(dāng)于氣體分子的碰撞時間，因此利用PECVD技術(shù)可生長界面陡峭的多層結(jié)構(gòu)。（4） 可以提高沉積速率，增加莫厚均勻性。這是因為在多數(shù)PECVD的情況下，體系壓力較低，增強(qiáng)了前驅(qū)氣體和氣態(tài)副產(chǎn)物穿過邊界

12、層在平流層和襯底表面之間的質(zhì)量輸運(yùn)。當(dāng)然，等離子體容易對襯底材料和薄膜材料造成離子轟擊損傷。在PECVD過程中，相對于等離子體電位而言，襯底電位通常較負(fù)，這勢必招致等離子體中的正離子被電場加速后轟擊襯底，導(dǎo)致襯底損傷和薄膜缺陷。另外，PECVD反應(yīng)是非選擇性的。等離子體中點(diǎn)在的能量分布范圍很寬，除電子碰撞外，在粒子碰撞作用和放電時產(chǎn)生的射線作用下也可產(chǎn)生新粒子，因此PECVD裝置一般來講比較復(fù)雜，價格也較高。3.4金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）3.4.1金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積及其特點(diǎn)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積是以一種或一種以上的金屬有機(jī)化合物為前驅(qū)體的沉積工藝。金屬有機(jī)化合物的采用，使它在工藝方法

13、特征，沉積材料性能方面有別于其他的化學(xué)氣相沉積方法，有以下幾個特點(diǎn)：（1）金屬有機(jī)化合物前驅(qū)體可以在熱解或者光解作用下，在較低溫度沉積出各種無機(jī)材料，如金屬、氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和化合物半導(dǎo)體等薄膜材料。由于其沉積溫度介于高溫?zé)酑VD和低溫等離子體增強(qiáng)CVD之間，所以也稱金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積為中溫化學(xué)氣相沉積。（2）與沉底組分明顯不同的外延沉積薄膜具有很高的韌性，即使化學(xué)性質(zhì)完全不同，只要晶格常數(shù)足以與襯底匹配，就能用于沉積外延薄膜，從而確立了它作為外延生長技術(shù)獨(dú)特而重要的地位。（3）利用有機(jī)化學(xué)氣相沉積可以生產(chǎn)厚度薄至幾個原子層、可精確控制摻雜水平和合金組分、界面變化陡峭的多層結(jié)構(gòu)

14、，它使量子階器件和應(yīng)變層超晶格的生產(chǎn)成為可能。因此，在微電子領(lǐng)域，MOCVD技術(shù)也成為金屬有機(jī)化學(xué)氣象外延（MOVPE）。（4）設(shè)備簡單，可以獲得高純度的氣態(tài)前驅(qū)體。四：化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn) 化學(xué)氣相沉積之所以得到發(fā)展，是和它本身的特點(diǎn)分不開的，其特點(diǎn)如下： (1）沉積物種類多：可以沉積金屬、合金、陶瓷或或化合物層，這是其他方法無法做到的。 (2）能均勻覆蓋幾何形狀復(fù)雜的零件，這是因為CVD涂覆過程中，離子有高度的分散性。 (3）可以在大氣壓或者地域大氣壓下進(jìn)行沉積。 (4）通常在8501100下進(jìn)行，覆蓋和基體結(jié)合緊密，但工件畸變較大，沉積后一般仍需要熱處理。 (5）采用等離子或激光輔助技術(shù)，可以強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)，降低沉積速度。 (6）容易控制覆蓋層得致密度和純度，也可以獲得梯度覆蓋層或混