化學氣相沉積

化學氣相沉積（CVD）化學氣相沉積的原理1化學氣相沉積的工藝方法2化學氣相沉積的特點與應用3

PVD和CVD的對比4化學氣相沉積的新進展5化學氣相沉積的原理原理：CVD是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進行化學反應，生成固態(tài)沉積物的過程。1.產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)2.將揮發(fā)性物質(zhì)運到沉積區(qū)3.揮發(fā)性物質(zhì)在基體上發(fā)生化學反應三個步驟化學氣相沉積的原理CVD過程1反應氣體到達基材表面2反應氣體被基材表面吸附3在基材表面產(chǎn)生化學反應，形核4生成物從基材表面脫離5生成物從基材表面擴散化學氣相沉積的原理常見的反應類型1、熱分解反應2、還原反應3、化學輸送4、氧化反應5、加水分解6、與氨反應7、合成反應8、等離子激發(fā)反應9、光激發(fā)反應10、激光激發(fā)反應化學氣相沉積（CVD）1、熱分解反應2、還原反應SiH4CH3SiCl3SiC+3HCl1400℃Si+H2WF6+3H2W+6HF﹙氫還原﹚SiCl4+2ZnSi+2ZnCl2﹙金屬還原﹚化學氣相沉積（CVD）3、化學輸送Si(s)+I2(g)SiI2(g)(高溫區(qū))2SiI2(g)Si(s)+SiI4(g)(低溫區(qū))4、氧化反應SiH4+O2SiO2+2H24PH3+5O22P2O5+6H25、加水分解2AlCl3+3H2OAl2O3+6HCl化學氣相沉積（CVD）6、與氨反應3SiH2Cl2+4NH3Si3N4+6HCl+6H23SiH4+4NH3Si3N4+12H27、合成反應

幾種氣體物質(zhì)在沉積區(qū)內(nèi)反應于工件表面，形成所需物質(zhì)薄膜8、等離子體激發(fā)反應

用等離子體放電是反應氣體活化，可在較低溫度下成膜化學氣相沉積（CVD）9、光激發(fā)反應如在SiH4-O2反應體系中使用水銀蒸汽為感光物質(zhì)，用253.7nm紫外光照射，并被水銀蒸汽吸收，這一反應可制備硅氧化物10、激光激發(fā)反應W（CO2）W+6CO化學氣相沉積的工藝方法

不同的涂層，其工藝方法一般不相同。但他們有一些共性，即每一個CVD系統(tǒng)都必須具備如下功能：①將反應氣體及其稀釋劑通入反應器，并能進行測量和調(diào)節(jié)；②能為反應部位提供熱量，并通過自動系統(tǒng)將熱量反饋至加熱源，以控制涂覆溫度。③將沉積區(qū)域內(nèi)的副產(chǎn)品氣體抽走，并能安全處理。此外，要得到高質(zhì)量的CVD膜，CVD工藝必須嚴格控制好幾個主要參量：①反應器內(nèi)的溫度。②進入反應器的氣體或蒸氣的量與成分。③保溫時間及氣體流速。④低壓CVD必須控制壓強。

化學氣相沉積的工藝方法

CVD技術分類反應器是CVD裝置最基本的部件。根據(jù)反應器結構的不同，可將CVD技術分為開放型氣流法和封閉型氣流法兩種基本類型。1、開放型氣流法：特點：反應氣體混合物能夠連續(xù)補充，同時廢棄的反應產(chǎn)物能夠不斷地排出沉積室，反應總是處于非平衡狀態(tài)。優(yōu)點：試樣容易裝卸，工藝條件易于控制，工藝重復性好?；瘜W氣相沉積的工藝方法

按照加熱方式的不同，開放型氣流法可分為熱壁式和冷壁式兩種。（1）熱壁式一般采用電阻加熱，沉積室壁和基體都被加熱。缺點是管壁上也會發(fā)生沉積。反應氣體排氣襯底熱壁反應器加熱器化學氣相沉積的工藝方法（2）冷壁式

基體本身被加熱，故只有熱的基體才發(fā)生沉積。實現(xiàn)冷壁式加熱的常用方法有感應加熱，通電加熱和紅外加熱等。反應氣體排氣水冷卻反應器加熱的襯底冷壁反應器化學氣相沉積的工藝方法2.封閉型氣流法

把一定量的反應物和適當?shù)幕w分別放在反應器的兩端，管內(nèi)抽真空后充入一定量的輸運氣體，然后密封，再將反應器置于雙溫區(qū)內(nèi)，使反應管內(nèi)形成一溫度梯度。溫度梯度造成的負自由能變化是傳輸反應的推動力，于是物料就從封管的一端傳輸?shù)搅硪欢瞬⒊练e下來。優(yōu)點（1）可降低來自外界的污染；（2）不必連續(xù)抽氣即可保持真空；（3）原料轉(zhuǎn)化率高。缺點（1）材料生長速率慢，不利于大批量生產(chǎn)；（2）有時反應管只能使用一次，沉積成本較高；（3）管內(nèi)壓力測定困難，具有一定的危險性。化學氣相沉積的工藝方法反應氣體襯底感應線圈排氣孔（a）開放型低溫區(qū)T1高溫區(qū)T2實心棒生長端熔斷處（b）封閉型化學氣相沉積反應器示意圖ZnSe(s)+I2(g)ZnI2(g)+1／2Se2(g)I2(g)ZnSeT2T1化學氣相沉積的工藝方法低壓化學氣相沉積

（LPCVD）低壓化學氣相淀積系統(tǒng)淀積的某些薄膜，在均勻性和臺階覆蓋等方面比APCVD系統(tǒng)的要好，而且污染也少。另外，在不使用稀釋氣體的情況下，通過降低壓強就可以降低氣相成核。LPCVD的淀積速率是受表面反應控制：因為在較低的氣壓下(大約133.3Pa)，氣體的擴散速率比在一個大氣壓下的擴散速率高出很多倍。盡管邊界層的厚度隨壓力降低而增厚，兩者相比還是擴散速度增大占優(yōu)勢，因此LPCVD系統(tǒng)中反應劑的質(zhì)量輸運不再是限制淀積速率的主要因素，淀積速率受表面反應控制。由于LPCVD淀積速率不再受質(zhì)量輸運控制，這就降低了對反應室結構的要求。雖然表面反應速度對溫度非常敏感，但是精確控制溫度相對比較容易。LPCVD可以用來淀積多種薄膜，包括多晶硅、氮化硅、二氧化硅等?；瘜W氣相沉積的工藝方法化學氣相沉積的工藝方法化學氣相沉積的工藝方法氣缺現(xiàn)象在LPCVD系統(tǒng)中，因為表面反應速度控制淀積速率，而表面反應速度又正比于表面上的反應劑濃度，要想在各個硅片表面上淀積厚度相同的薄膜，就應該保證各個硅片表面上的反應劑濃度是相同的。然而對于只有一個入氣口的反應室來說，沿氣流方向因反應劑不斷消耗，靠近入氣口處淀積的膜較厚，遠離入氣口處淀積的膜較薄，稱這種現(xiàn)象為氣缺現(xiàn)象?；瘜W氣相沉積的工藝方法減輕氣缺現(xiàn)象影響的方法(1)由于反應速度隨著溫度的升高而加快，可通過在水平方向上逐漸提高溫度來加快反應速度，從而提高淀積速率，補償氣缺效應的影響，減小各處淀積厚度的差別。(2)采用分布式的氣體入口，就是反應劑氣體通過一系列氣體口注入到反應室中。需要特殊設計的淀積室來限制氣流交叉效應。(3)增加反應室中的氣流速度。當氣流速度增加的時候，在單位時間內(nèi)，靠近氣體入口處的淀積速率不變，薄膜淀積所消耗的反應劑絕對數(shù)量也就沒有改變，但所消耗的比例降低，更多的反應劑氣體能夠輸運到下游，在各個硅片上所淀積的薄膜厚度也變得更均勻一些。LPCVD系統(tǒng)的兩個主要缺點是相對低的淀積速率和相對高的工作溫度。增加反應劑分壓來提高淀積速率則容易產(chǎn)生氣相反應；降低淀積溫度則將導致不可接受的淀積速率?；瘜W氣相沉積的工藝方法等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)是目前最主要的化學氣相淀積系統(tǒng)。APCVD和LPCVD都是利用熱能來激活和維持化學反應，而PECVD是通過射頻等離子體來激活和維持化學反應，受激發(fā)的分子可以在低溫下發(fā)生化學反應，所以淀積溫度比APCVD和LPCVD低，淀積速率也更高。低溫淀積是PECVD的一個突出優(yōu)點，因此，可以在鋁上淀積二氧化硅或者氮化硅。淀積的薄膜具有良好的附著性、低針孔密度、良好的階梯覆蓋及電學特性?；瘜W氣相沉積的工藝方法等離子體中的電子與反應氣體的分子碰撞時，這些分子將分解成多種成份：離子、原子以及活性基團(激發(fā)態(tài))，這些活性基團不斷吸附在襯底表面上，吸附在表面上的活性基團之間發(fā)生化學反應生成薄膜元素，并在襯底表面上形成薄膜?；钚曰鶊F吸附在表面時，不斷的受到離子和電子轟擊，很容易遷移，發(fā)生重新排列。這兩個特性保證了所淀積薄膜有良好的均勻性，以及填充小尺寸結構的能力?；瘜W氣相沉積的工藝方法值得注意的是，在PECVD的操作過程中，還需要對另外一些淀積參數(shù)進行控制和優(yōu)化，除了氣流速度．溫度和氣壓等參數(shù)之外，淀積過程還依賴于射頻功率密度、頻率等參數(shù)。PECVD是典型的表面反應速率控制型，要想保證薄膜的均勻性，就需要準確控制襯底溫度?；瘜W氣相沉積的工藝方法化學氣相沉積的特點與應用CVD的特點CVD與其他涂層方法相比，具有如下特點：（1）設備簡單，操作維護方便，靈活性強，既可制造金屬膜、非金屬膜，又可按要求制造多種成分的合金、陶瓷和化合物鍍層。通過對多種原料氣體的流量調(diào)節(jié)，能夠在相當大的范圍內(nèi)控制產(chǎn)物的組分，從而獲得梯度沉積物或者得到混合鍍層。（2）可在常壓或低真空狀態(tài)下工作，鍍膜的繞射性好，形狀復雜的工件或工件中的深孔、細孔都能均勻鍍膜。化學氣相沉積的特點與應用（3）由于沉積溫度高，涂層與基體之間結合好，這樣，經(jīng)過CVD法處理后的工件，即使用在十分惡劣的加工條件下，涂層也不會脫落。（4）涂層致密而均勻，并且容易控制其純度、結構和晶粒度。（5）沉積層通常具有柱狀晶結構，不耐彎曲。但通過各種技術對化學反應進行氣相擾動，可以得到細晶粒的等軸沉積層。該法最大缺點是沉積溫度高，一般在700～1100℃范圍內(nèi)，許多材料都經(jīng)受不了這樣高的溫度，使其用途受到很大的限制化學氣相沉積的特點與應用CVD的應用

利用CVD技術，可以沉積出玻璃態(tài)薄膜，也能制出純度高、結構高度完整的結晶薄膜，還可沉積純金屬膜、合金膜以及金屬間化合物。這些新材料由于其特殊的功能已在復合材料、微電子學工藝、半導體光電技術、太陽能利用、光纖通信、超導電技術和保護涂層等許多新技術領域得到了廣泛應用。化學氣相沉積的特點與應用CVD的應用1.復合材料制備CVD法制備的纖維狀或晶須狀的沉積物在發(fā)展復合材料方面它具有非常大的作用。如Be、B、Fe、Al2O3、SiO2、SiC、Si3N4、AlN和BN等纖維或晶須增強的Al、Mg、Ti、Ni、Cu及各種樹脂類高分子聚合物等的復合材料，以及纖維和晶須增強的各種陶瓷類復合材料。在陶瓷中加入微米量級的超細晶須，已證明可使復合材料的韌性得到明顯的改進。化學氣相沉積的特點與應用2.微電子學工藝半導體器件，特別是大規(guī)模集成電路的制作，其基本工藝流程都是由外延、掩膜、光刻、擴散和金屬連接等過程組合而成的。其中半導體膜的外延、P—N結擴散源的形成、介質(zhì)隔離、擴散掩膜和金屬膜的沉積等是這些工藝的核心步驟?；瘜W氣相沉積在制備這些材料層的過程中逐漸取代了像硅的高溫氧化和高溫擴散等舊有工藝，在現(xiàn)代微電子學工藝中占據(jù)了主導地位?；瘜W氣相沉積高純硅的問世使半導體進入了集成化的新時代?；瘜W氣相沉積的特點與應用3.半導體光電技術半導體光電技術包括半導體光源、光接受、光波導、集成光路及光導纖維等一系列基礎理論和應用技術的邊緣學科。CVD法可以制備半導體激光器、半導體發(fā)光器件、光接受器和光集成光路等。如集成電路是采用低溫氣相沉積技制備的，應用氫化物、金屬有機化合物為源的沉積方法，在絕緣的透明襯底上（如藍寶石、尖晶石等）通過異質(zhì)外延生長Ⅳ族、Ⅲ—Ⅵ族化合物材料及其組合的集成化材料?；瘜W氣相沉積的特點與應用4.太陽能利用利用無機材料的光電轉(zhuǎn)換功能制成太陽能電池是太陽能利用的一個重要途徑?，F(xiàn)已試制成功硅、砷化鎵同質(zhì)結電池以及利用Ⅲ—Ⅴ族、Ⅱ一Ⅵ族等半導體制成了多種異質(zhì)結太陽能電池，如SiO2/Si，GaAs/GaAlAs等，它們幾乎全制成薄膜形式。氣相沉積是最主要的制備技術。化學氣相沉積的特點與應用5.光纖通信光纖通信由于其容量大、抗電磁干擾、體積小、對地形適應性高、保密性高以及制造成本低等優(yōu)點，因此得到迅速發(fā)展。通信用的光導纖維是用化學氣相沉積技術制得的石英玻璃棒經(jīng)燒結拉制而成的。利用高純四氯化硅和氧氣可以很方便地沉積出高純石英玻璃。化學氣相沉積的特點與應用6.超電導技術

化學氣相沉積生產(chǎn)的Nb3Sn超導材料是目前繞制高場強小型磁體的最優(yōu)良材料?；瘜W氣相沉積法生產(chǎn)出來的其他金屬間化合物超導材料還有V3Ga和Nb3Ga等。

化學氣相沉積的特點與應用7.保護涂層化學氣相沉積在保護涂層領域中得到了廣泛的應用。CVD法可以沉積多種元素及其氮化物、氧化物、硼化物、硅化物和磷化物，在耐磨鍍層中，用于金屬切削刀具占主要地位。在切削應用中，鍍層的重要性能包括硬度、化學穩(wěn)定性、耐磨、減摩、高的熱導以及熱穩(wěn)定性?；瘜W氣相沉積的特點與應用7.保護涂層例如，用CVD法在工模具表面上制備的耐磨涂層能顯著地提高工模具使用壽命，耐磨涂層刀具的出現(xiàn)被譽為刀具的一場革命。除刀具外，CVD鍍層還可用于其它承受摩擦磨損的設備，如泥漿傳輸設備、煤的氣化設備和礦井設備等?；瘜W氣相沉積的特點與應用

7.保護涂層如CVD的鎢鈦合金CM500L鍍層性能在泥漿摩擦試驗中比電鍍鉻層的性能要好得多。在電鍍鎳槍筒的內(nèi)壁CVD鍍鎢后，在模擬彈藥通過槍筒發(fā)射的試驗中，其耐剝蝕性能幾乎增加10倍。

PVD和CVD的對比1、工藝溫度高低是CVD和PVD之間的主要區(qū)別。溫度對于高速鋼鍍膜具有重大意義。CVD法的工藝溫度超過了高速鋼的回火溫度，用CVD法鍍制的高速鋼工件，必須進行鍍膜后的真空熱處理，以恢復硬度。鍍后熱處理會產(chǎn)生不容許的變形。2、CVD工藝對進人反應器工件的清潔要求比PVD工藝低一些，因為附著在工件表面的一些臟東西很容易在高溫下燒掉。此外，高溫下得到的鍍層結合強度要更好些。

PVD和CVD的對比3、CVD鍍層往往比各種PVD鍍層略厚一些，前者厚度在7.5μm左右，后者通常不到2.5μm厚。CVD鍍層的表面略比基體的表面粗糙些