化學氣相沉積教材課件

化學氣相沉積材料科學08-4徐亞茜14085666材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積材料科學08-4材料科學與工程學院現代表面工程技1目錄基本概念化學氣相沉積發(fā)展化學氣相沉積特點CVD物理化學基礎CVD技術的熱動力學化學氣相沉積工藝及設備PVD技術常見的應用材料科學與工程學院現代表面工程技術目錄基本概念材料科學與工程學院現代表面工程技術2基本概念化學氣相沉積(Chemicalvapordeposition，簡稱CVD)是一種化學氣相生長法。在不同的溫度場、不同的真空度下，將集中含有構成涂層材料元素的化合物或單質反應氣體源，通入含有被處理弓箭的反應室忠，在工件和氣相界面進行分解、解吸、化合等反應，生成新的固態(tài)物質沉積在工件表面，形成均勻一致的涂層。材料科學與工程學院現代表面工程技術基本概念化學氣相沉積(Chemicalvapordepo3基本概念CVD技術的分類低壓CVD（LPCVD）常壓CVD（APCVD）亞常壓CVD(SACVD)超高真空CVD(UHCVD)等離子體增強CVD(PECVD)高密度等離子體CVD(HDPCVD快熱CVD(RTCVD)金屬有機物CVD(MOCVD）返回材料科學與工程學院現代表面工程技術基本概念CVD技術的分類低壓CVD（LPCVD）常壓CVD（4化學氣相沉積發(fā)展古人類在取暖或燒烤時在巖洞壁或巖石上的黑色碳層20世紀50年代主要用于道具涂層80年代低壓CVD成膜技術成為研究熱潮近年來PECVD、LCVD等高速發(fā)展20世紀60-70年代用于集成電路返回材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積發(fā)展古人類在取暖或燒烤時在巖洞壁或巖石上的黑色碳5化學氣相沉積特點1)在中溫或高溫下，通過氣態(tài)的初始化合物之間的氣相化學反應而形成固體物質沉積在基體上。2)可以在常壓或者真空條件下(負壓“進行沉積、通常真空沉積膜層質量較好)。3)采用等離子和激光輔助技術可以顯著地促進化學反應，使沉積可在較低的溫度下進行。4)涂層的化學成分可以隨氣相組成的改變而變化，從而獲得梯度沉積物或者得到混合鍍層。5)可以控制涂層的密度和涂層純度。6)繞鍍件好。可在復雜形狀的基體上以及顆粒材料上鍍膜。適合涂覆各種復雜形狀的工件。由于它的繞鍍性能好，所以可涂覆帶有槽、溝、孔，甚至是盲孔的工件。7)沉積層通常具有柱狀晶體結構，不耐彎曲，但可通過各種技術對化學反應進行氣相擾動，以改善其結構。8)可以通過各種反應形成多種金屬、合金、陶瓷和化合物涂層。返回材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積特點1)在中溫或高溫下，通過氣態(tài)的初始化合物之間6CVD物理化學基礎熱分解反應氧化還原反應化學合成反應化學輸運反應等離子增強反應其他能源增強增強反應CVD反應方式：材料科學與工程學院現代表面工程技術CVD物理化學基礎熱分解反應氧化還原反應化學合成反應化學輸運7CVD物理化學基礎必須達到足夠的沉積溫度。在沉積溫度下，參加反應的各種物質必須有足夠的蒸汽壓。參加反應的各種物質必須是氣態(tài)（也可由液態(tài)蒸發(fā)或固態(tài)升華成氣態(tài)），而反應的生成物除了所需的涂層材料為固態(tài)外，其余也必須為氣態(tài)。在沉積溫度下，沉積物和集體材料本身的蒸汽壓要足夠低，這樣才能保證在整個反應過程中，反應生成的固態(tài)沉積物很好的和基體表面相結合。CVD反應條件：材料科學與工程學院現代表面工程技術CVD物理化學基礎必須達到足夠的沉積溫度。CVD反應條件：材8CVD技術的熱動力學化學氣相沉積的五個主要的機構(a)反應物已擴散通過界面邊界層；(b)反應物吸附在基片的表面；(c)化學沉積反應發(fā)生；(d)部分生成物已擴散通過界面邊界層；(e)生成物與反應物進入主氣流里，并離開系統(tǒng)CVD反應是由這五個主要步驟所構成的。因為進行這五個的發(fā)生順序成串聯，因此CVD反應的速率取決于步驟，將由這五個步驟里面最慢的一個來決定CVD反應過程：材料科學與工程學院現代表面工程技術CVD技術的熱動力學化學氣相沉積的五個主要的機構CVD反應是9CVD技術的熱動力學熱能傳遞主要有傳導、對流、輻射三種方式熱傳導是固體中熱傳遞的主要方式，是將基片置于經加熱的晶座上面，借著能量在熱導體間的傳導，來達到基片加熱的目的材料科學與工程學院現代表面工程技術CVD技術的熱動力學熱能傳遞主要有傳導、對流、輻射三種方式10CVD技術的熱動力學單位面積的能量輻射=Er=hr（Ts1-Ts2）

物體因自身溫度而具有向外發(fā)射能量的本領，這種熱傳遞的方式叫做熱輻射。利用熱源的熱輻射來加熱，是另一種常用的方法.材料科學與工程學院現代表面工程技術CVD技術的熱動力學單位面積的能量輻射=Er=hr（Ts1-11CVD技術的熱動力學熱傳導是固體中熱傳遞的主要方式，是將基片置于經加熱的晶座上面，借著能量在熱導體間的傳導，來達到基片加熱的目的兩種常見的流體流動方式材料科學與工程學院現代表面工程技術CVD技術的熱動力學熱傳導是固體中熱傳遞的主要方式，是12CVD技術的熱動力學體流經固定表面時所形成的邊界層δ及δ與移動方向x之間的關系

邊界層的厚度δ，與反應器的設計及流體的流速有關

材料科學與工程學院現代表面工程技術CVD技術的熱動力學體流經固定表面時所形成的邊界層δ及邊界層13CVD技術的熱動力學CVD反應物從主氣流里往基片表面擴散時反應物在邊界層兩端所形成的濃度梯度材料科學與工程學院現代表面工程技術CVD技術的熱動力學CVD反應物從主氣流里往基片表面擴散時反14CVD技術的熱動力學顯示以TEOS為反應氣體的CVDSiO2沉積的沉積速率與溫度之間的關系曲線基本上CVDSiO2的沉積速率，將隨著溫度的上升而增加。但當溫度超過某一個范圍之后，溫度對沉積速率的影響將變得遲緩且不明顯

材料科學與工程學院現代表面工程技術CVD技術的熱動力學顯示以TEOS為反應氣體的CVDSiO215CVD技術的熱動力學CVD反應的進行，涉及到能量、動量、及質量的傳遞。反應氣體是借著擴散效應，來通過主氣流與基片之間的邊界層，以便將反應氣體傳遞到基片的表面。接著因能量傳遞而受熱的基片，將提供反應氣體足夠的能量以進行化學反應，并生成固態(tài)的沉積物以及其他氣態(tài)的副產物。前者便成為沉積薄膜的一部分；后者將同樣利用擴散效應來通過邊界層并進入主氣流里。至于主氣流的基片上方的分布，則主要是與氣體的動量傳遞相關。材料科學與工程學院現代表面工程技術CVD技術的熱動力學CVD反應的進行，涉及到能量、動量、16CVD技術的熱動力學(a)CVD反應為表面反應限制時和(b)當CVD反應為擴散限制時，反應氣體從主氣流里經邊界層往基片表面擴散的情形Sh1所發(fā)生的情形，決于CVD反應的速率，所以稱為“表面反應限制”

Sh1所繁盛的情形，因涉及氣體擴散的能力，故稱為“擴散限制”，或“質傳限制”材料科學與工程學院現代表面工程技術CVD技術的熱動力學(a)CVD反應為表面反應限制時17化學氣相沉積工藝及設備

CVD設備的心臟，在于其用以進行反應沉積的“反應器”。CVD反應器的種類，依其不同的應用與設計難以盡數。以CVD的操作壓力來區(qū)分，CVD基本上可以分為常壓與低壓兩種。若以反應器的結構來分類，則可以分為水平式、直立式、直桶式、管狀式烘盤式及連續(xù)式等。若以反應器器壁的溫度控制來評斷，也可以分為熱壁式（hotwall）與冷壁式（coldwall）兩種。若考慮CVD的能量來源及所使用的反應氣體種類，我們也可以將CVD反應器進一步劃分為等離子增強CVD(plasmaenhancedCVD，或PECVD)，TEOS-CVD，及有機金屬CVD(metal-organicCVD，MOCVD)等。材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積工藝及設備CVD設備的心臟，在于其用以18化學氣相沉積工藝及設備氣相反應室加熱系統(tǒng)氣體控制系統(tǒng)排氣系統(tǒng)CVD裝置材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積工藝及設備氣相反應室加熱系統(tǒng)氣體控制系統(tǒng)排氣系統(tǒng)19化學氣相沉積電漿輔助化學氣相沉積系統(tǒng)材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積電漿輔助化學氣相沉積系統(tǒng)材料科學與工程學院現代表20真空感應化學氣相沉積爐低壓化學氣相沉積材料科學與工程學院現代表面工程技術真空感應化學氣相沉積爐低壓化學氣相沉積材料科學與工程學院現代21化學氣相沉積工藝及設備APCVD所謂的APCVD，顧名思義，就是在壓力接近常壓下進行CVD反應的一種沉積方式。由于半導體器件制造時純度要求高，所有反應器都是用純石英作為反應器的容器，用高純石墨作為基底，易于射頻感應加熱或紅外線加熱。這些裝置最主要用于SiCl4氫還原在單晶硅片襯底上生長幾微米厚的外延層。所謂外延層就是指與襯底單晶的晶格相同排列方式增加了若干晶體排列層，也可以用晶格常數相近的其他襯底材料來生長硅外延層。這樣的外延稱為異質外延。APCVD的操作壓力接近1atm(101325Pa)，按照氣體分子的平均自由徑來推斷，此時的氣體分子間碰撞頻率很高，是屬于均勻成核的“氣相反應”很容易發(fā)生，而產生微粒。材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積工藝及設備APCVD所謂的APCVD，顧名思義，22化學氣相沉積工藝及設備

低壓CVD的設計就是將反應氣體在反應器內進行沉積反應時的操作能力，降低到大約100Torr(1Torr=133.332Pa)一下的一種CVD反應。利用在低壓下進行反應的特點，以LPCVD法來沉積的薄膜，將具備較佳的階梯覆蓋能力。且因為氣體分子間的碰撞頻率下降，使氣相沉積反應在LPCVD中變得比較不顯著（尤其是當反應進行時，是在表面反應限制的溫度范圍內）。但是也因為氣體分子間的碰撞頻率較低，使得LPCVD法的薄膜沉積速率比較慢一些。LPCVD材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積工藝及設備低壓CVD的設計就是將反應氣體在反應23化學氣相沉積工藝及設備在低真空的條件下，利用硅烷氣體、氮氣（或氨氣）和氧化亞氮，通過射頻電場而產生輝光放電形成等離子體，以增強化學反應，從而降低沉積溫度，可在常溫至350℃條件下，沉積氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅及非晶硅膜等。在輝光放電的低溫等離子體內，“電子氣”的溫度約比普通氣體分子的平均溫度高10～100倍，即當反應氣體接近環(huán)境溫度時，電子的能量足以使氣體分子鍵斷裂并導致化學活性粒子（活化分子、離子、原子等基團）的產生，使本來需要在高溫下進行的化學反應由于反應氣體的電激活而在相當低的溫度下即可進行，也就是反應氣體的化學鍵在低溫下就可以被打開。所產生的活化分子、原子集團之間的相互反應最終沉積生成薄膜。把這種過程稱之為等離子增強的化學氣相沉積PCVD或PECVD，稱為等離子體化學氣相沉積。PECVD材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積工藝及設備在低真空的條件下，利用硅烷氣體、氮氣24化學氣相沉積工藝及設備在MOCVD過程中，金屬有機源（MO源）可以在熱解或光解作用下，在較低溫度沉積出相應的各種無機材料，如金屬、氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和化合物半導體材料等的薄膜。如今，利用MOCVD技術不但可以改變材料的表面性能，而且可以直接構成復雜的表面結構，創(chuàng)造出新的功能材料。MOCVD常壓MOCVD低壓MOCVD原子層外延（ALE）激光MOCVDMOCVD材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積工藝及設備在MOCVD過程中，金屬有機源（M25化學氣相沉積工藝及設備激光化學沉積就是用激光（CO2或準分子）誘導促進化學氣相沉積。激光化學氣相沉積的過程是激光分子與反應氣分子或襯材表面分子相互作用的工程。按激光作用的機制可分為激光熱解沉積和激光光解沉積兩種。激光熱解沉積用波長長的激光進行，如CO2激光、YAG激光、Ar+激光等，一般激光器能量較高、激光光解沉積要求光子有大的能量，用短波長激光，如紫外、超紫外激光進行，如準分子XeCl、ArF等激光器。LCVD材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積工藝及設備激光化學沉積就是用激光（CO2或準26化學氣相沉積工藝及設備臥式反應器可以用于硅外延生長，裝置3～4片襯底

常壓單晶外延和多晶薄膜沉積裝置材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積工藝及設備臥式反應器常壓單晶外延和多晶薄膜沉積裝27化學氣相沉積工藝及設備立式反應器可以用于硅外延生長，裝置6～8片襯底/次常壓單晶外延和多晶薄膜沉積裝置材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積工藝及設備立式反應器常壓單晶外延和多晶薄膜沉積裝28化學氣相沉積工藝及設備桶式反應器可以用于硅外延生長，裝置24～30片襯底/次常壓單晶外延和多晶薄膜沉積裝置材料科學與工程學院現代表面工程技術化學氣相沉積工藝及設備桶式反應器常壓單晶外延和多晶薄膜沉積裝29

LPCVD反應器本身是以退火后的石英所構成，環(huán)繞石英制爐管外圍的是一組用來對爐管進行加熱的裝置，因為分為三個部分，所以稱為“三區(qū)加熱器”。氣體通常從爐管的前端，與距離爐門不遠處，送入爐管內（當然也有其他不同的設計方法）。被沉積的基片，則置于同樣以適應所制成的晶舟上，并隨著晶舟，放入爐管的適當位置，以便進行沉積。

采用直立插片增加了硅片容量

熱壁LCVD裝置化學氣相沉積工藝及設備材料科學與工程學院現代表面工程技術LPCVD反應器本身是以退火后的石英所構成，環(huán)繞石英制30電感耦合產生等離子的PECVD裝置等離子體增強CVD裝置化學氣相沉積工藝及設備材料科學與工程學院現代表面工程技術電感耦合產生等離子的PECVD裝置等離子體增強CVD裝置化31平行板結構裝置。襯底放在具有溫控裝置的下面平板上，壓強通常保持在133Pa左右，射頻電壓加在上下平行板之間，于是在上下平板間就會出現電容耦合式的氣體放電，并產生等離子體

等離子體增強CVD裝置化學氣相沉積工藝及設備材料科學與工程學院現代表面工程技術平行板結構裝置。襯底放在具有溫控裝置的下面平板上，壓強通常保32擴散爐內放置若干平行板、由電容式放電產生等等離子體的PECVD裝置。它的設計主要是為了配合工廠生產的需要，增加爐產量

等離子體增強CVD裝置化學氣相沉積工藝及設備材料科學與工程學院現代表面工程技術擴散爐內放置若干平行板、由電