化学气相沉积教材课件.ppt

材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积,材料科学08-4徐亚茜14085666,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,目录,基本概念化学气相沉积发展化学气相沉积特点CVD物理化学基础CVD技术的热动力学化学气相沉积工艺及设备PVD技术常见的应用,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,基本概念,化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是一种化学气相生长法。在不同的温度场、不同的真空度下，将集中含有构成涂层材料元素的化合物或单质反应气体源，通入含有被处理弓箭的反应室忠，在工件和气相界面进行分解、解吸、化合等反应，生成新的固态物质沉积在工件表面，形成均匀一致的涂层。,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,基本概念,返回,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积发展,20世纪60-70年代用于集成电路,返回,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积特点,1)在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。 2)可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好)。 3)采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。 4)涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。 5)可以控制涂层的密度和涂层纯度。 6)绕镀件好。可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂形状的工件。由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。 7)沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。 8)可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。,返回,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,CVD物理化学基础,热分解反应,氧化还原反应,化学合成反应,化学输运反应,等离子增强反应,其他能源增强增强反应,CVD反应方式：,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,CVD物理化学基础,必须达到足够的沉积温度。在沉积温度下，参加反应的各种物质必须有足够的蒸汽压。参加反应的各种物质必须是气态（也可由液态蒸发或固态升华成气态），而反应的生成物除了所需的涂层材料为固态外，其余也必须为气态。在沉积温度下，沉积物和集体材料本身的蒸汽压要足够低，这样才能保证在整个反应过程中，反应生成的固态沉积物很好的和基体表面相结合。,CVD反应条件：,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,CVD技术的热动力学,化学气相沉积的五个主要的机构(a)反应物已扩散通过界面边界层；(b)反应物吸附在基片的表面；(c)化学沉积反应发生； (d) 部分生成物已扩散通过界面边界层；(e)生成物与反应物进入主气流里，并离开系统,CVD反应是由这五个主要步骤所构成的。因为进行这五个的发生顺序成串联，因此CVD反应的速率取决于步骤，将由这五个步骤里面最慢的一个来决定,CVD反应过程：,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,CVD技术的热动力学,热能传递主要有传导、对流、辐射三种方式,热传导是固体中热传递的主要方式，是将基片置于经加热的晶座上面，借着能量在热导体间的传导，来达到基片加热的目的,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,CVD技术的热动力学,单位面积的能量辐射=Er=hr（Ts1- Ts2）,物体因自身温度而具有向外发射能量的本领，这种热传递的方式叫做热辐射。利用热源的热辐射来加热，是另一种常用的方法 .,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,CVD技术的热动力学,热传导是固体中热传递的主要方式，是将基片置于经加热的晶座上面，借着能量在热导体间的传导，来达到基片加热的目的,两种常见的流体流动方式,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,CVD技术的热动力学,体流经固定表面时所形成的边界层及与移动方向x之间的关系,边界层的厚度，与反应器的设计及流体的流速有关,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,CVD技术的热动力学,CVD反应物从主气流里往基片表面扩散时反应物在边界层两端所形成的浓度梯度,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,CVD技术的热动力学,显示以TEOS为反应气体的CVDSiO2沉积的沉积速率与温度之间的关系曲线,基本上CVDSiO2的沉积速率，将随着温度的上升而增加。但当温度超过某一个范围之后，温度对沉积速率的影响将变得迟缓且不明显,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,CVD技术的热动力学,CVD反应的进行，涉及到能量、动量、及质量的传递。反应气体是借着扩散效应，来通过主气流与基片之间的边界层，以便将反应气体传递到基片的表面。接着因能量传递而受热的基片，将提供反应气体足够的能量以进行化学反应，并生成固态的沉积物以及其他气态的副产物。前者便成为沉积薄膜的一部分；后者将同样利用扩散效应来通过边界层并进入主气流里。至于主气流的基片上方的分布，则主要是与气体的动量传递相关。,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,CVD技术的热动力学,(a) CVD反应为表面反应限制时和 (b)当CVD反应为扩散限制时，反应气体从主气流里经边界层往基片表面扩散的情形,Sh 1所发生的情形，决于CVD反应的速率，所以称为“表面反应限制”,Sh 1所繁盛的情形，因涉及气体扩散的能力，故称为“扩散限制”，或“质传限制”,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积工艺及设备,CVD设备的心脏，在于其用以进行反应沉积的“反应器” 。CVD反应器的种类，依其不同的应用与设计难以尽数。以CVD的操作压力来区分，CVD基本上可以分为常压与低压两种。若以反应器的结构来分类，则可以分为水平式、直立式、直桶式、管状式烘盘式及连续式等。若以反应器器壁的温度控制来评断，也可以分为热壁式（hot wall）与冷壁式（cold wall）两种。若考虑CVD的能量来源及所使用的反应气体种类，我们也可以将CVD反应器进一步划分为等离子增强CVD(plasma enhanced CVD，或PECVD)，TEOS-CVD，及有机金属CVD(metal-organic CVD，MOCVD)等。,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积工艺及设备,气相反应室,加热系统,气体控制系统,排气系统,CVD装置,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积,电浆辅助化学气相沉积系统,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,真空感应化学气相沉积炉,低压化学气相沉积,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积工艺及设备,APCVD,所谓的APCVD，顾名思义，就是在压力接近常压下进行CVD反应的一种沉积方式。由于半导体器件制造时纯度要求高，所有反应器都是用纯石英作为反应器的容器，用高纯石墨作为基底，易于射频感应加热或红外线加热。这些装置最主要用于SiCl4氢还原在单晶硅片衬底上生长几微米厚的外延层。所谓外延层就是指与衬底单晶的晶格相同排列方式增加了若干晶体排列层，也可以用晶格常数相近的其他衬底材料来生长硅外延层。这样的外延称为异质外延。APCVD的操作压力接近1atm(101325Pa)，按照气体分子的平均自由径来推断，此时的气体分子间碰撞频率很高，是属于均匀成核的“气相反应”很容易发生，而产生微粒。,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积工艺及设备,低压CVD的设计就是将反应气体在反应器内进行沉积反应时的操作能力，降低到大约100Torr(1Torr=133.332Pa)一下的一种CVD反应。利用在低压下进行反应的特点，以LPCVD法来沉积的薄膜，将具备较佳的阶梯覆盖能力。且因为气体分子间的碰撞频率下降，使气相沉积反应在LPCVD中变得比较不显著（尤其是当反应进行时，是在表面反应限制的温度范围内）。但是也因为气体分子间的碰撞频率较低，使得LPCVD法的薄膜沉积速率比较慢一些 。,LPCVD,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积工艺及设备,在低真空的条件下，利用硅烷气体、氮气（或氨气）和氧化亚氮，通过射频电场而产生辉光放电形成等离子体，以增强化学反应，从而降低沉积温度，可在常温至350条件下，沉积氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅及非晶硅膜等。在辉光放电的低温等离子体内，“电子气”的温度约比普通气体分子的平均温度高10100倍，即当反应气体接近环境温度时，电子的能量足以使气体分子键断裂并导致化学活性粒子（活化分子、离子、原子等基团）的产生，使本来需要在高温下进行的化学反应由于反应气体的电激活而在相当低的温度下即可进行，也就是反应气体的化学键在低温下就可以被打开。所产生的活化分子、原子集团之间的相互反应最终沉积生成薄膜。把这种过程称之为等离子增强的化学气相沉积PCVD或PECVD，称为等离子体化学气相沉积。,PECVD,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积工艺及设备,在MOCVD过程中，金属有机源（MO源）可以在热解或光解作用下，在较低温度沉积出相应的各种无机材料，如金属、氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和化合物半导体材料等的薄膜。如今，利用MOCVD技术不但可以改变材料的表面性能，而且可以直接构成复杂的表面结构，创造出新的功能材料。,MOCVD,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积工艺及设备,激光化学沉积就是用激光（CO2或准分子）诱导促进化学气相沉积。激光化学气相沉积的过程是激光分子与反应气分子或衬材表面分子相互作用的工程。按激光作用的机制可分为激光热解沉积和激光光解沉积两种。激光热解沉积用波长长的激光进行，如CO2激光、YAG激光、Ar+激光等，一般激光器能量较高、激光光解沉积要求光子有大的能量，用短波长激光，如紫外、超紫外激光进行，如准分子XeCl、ArF等激光器。,LCVD,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积工艺及设备,卧式反应器可以用于硅外延生长，装置34片衬底,常压单晶外延和多晶薄膜沉积装置,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积工艺及设备,立式反应器可以用于硅外延生长，装置68片衬底/次,常压单晶外延和多晶薄膜沉积装置,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,化学气相沉积工艺及设备,桶式反应器可以用于硅外延生长，装置2430片衬底/次,常压单晶外延和多晶薄膜沉积装置,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,LPCVD反应器本身是以退火后的石英所构成，环绕石英制炉管外围的是一组用来对炉管进行加热的装置，因为分为三个部分，所以称为“三区加热器”。气体通常从炉管的前端，与距离炉门不远处，送入炉管内（当然也有其他不同的设计方法）。被沉积的基片，则置于同样以适应所制成的晶舟上，并随着晶舟，放入炉管的适当位置，以便进行沉积。,采用直立插片增加了硅片容量,热壁LCVD装置,化学气相沉积工艺及设备,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,电感耦合产生等离子的PECVD装置,等离子体增强CVD装置,化学气相沉积工艺及设备,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,平行板结构装置。衬底放在具有温控装置的下面平板上，压强通常保持在133Pa左右，射频电压加在上下平行板之间，于是在上下平板间就会出现电容耦合式的气体放电，并产生等离子体,等离子体增强CVD装置,化学气相沉积工艺及设备,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,扩散炉内放置若干平行板、由电容式放电产生等等离子体的PECVD装置。它的设计主要是为了配合工厂生产的需要，增加炉产量,等离子体增强CVD装置,化学气相沉积工艺及设备,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,MOCVD装置,MOCVD设备的进一步改进主要有三个方面：获得大面积和高均匀性的薄膜材料；尽量减少管道系统的死角和缩短气体通断的间隔时间，以生长超薄层和超晶格结构材料,化学气相沉积工艺及设备,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,履带式常压CVD装置,衬底硅片放在保持400的履带上，经过气流下方时就被一层CVD薄膜所覆盖。,化学气相沉积工艺及设备,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,模块式多室CVD装置,化学气相沉积工艺及设备,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,桶罐式CVD反应装置,对于硬质合金刀具的表面涂层常采用这一类装置，它的优点是与合金刀具衬底的形状关系不大，各类刀具都可以同时沉积，而且容器很大，一次就可以装上千的数量。,化学气相沉积工艺及设备,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,PVD技术常见的应用,常压化学气相沉积方法制备非晶硅薄膜及其光致发光性能研究微波等离子体化学气相沉积金刚石膜化学气相沉积在高温领域的应用化学气相沉积技术及在难熔金属材料中的应用,材料科学与工程学院,现代表面工程技术,谢谢观看！,