化学气相沉积原理
化学气相沉积
缓且不明显。
4.2 化学气相沉积原理
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，以便将反学气相沉积合成方法发展
20世纪50年代 主要用于道具
涂层
古人类在取暖 或烧烤时在岩 洞壁或岩石上
的黑色碳层
近年来PECVD 、LCVD等高
速发展
20世纪60-70 年代用于集成
电路
80年代低压 CVD成膜技术 成为研究热潮
2
4.2 化学气相沉积原理
一、基本概念
化学气相沉积（CVD）：
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4.2 化学气相沉积原理
二、化学气相沉积法原理
2、CVD技术的热动力学原理
CVD反应结构分解：
不同物质状态的边界层对CVD沉积至关重要。所谓边界层，就是流体及物 体表面因流速、浓度、温度差距所形成的中间过渡范围。 (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 。
流速与流向均 平顺者称为 “层流”；
流动过程中产 生扰动等不均 匀现象的流动 形式，则称为
其中，d为流体流经的管径，ρ为流体的密度，
“湍流”。
ν为流体的流速，μ则为流体的粘度
两种常见的流体流动方式
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4.2 化学气相沉积原理
假设流体在晶座及 基片表面的流速为 零，则流体及基片 （或晶座）表面将 有一个流速梯度存 在，这个区域便是 边界层。
其中：hc为“对流热传系数”
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4.2 化学气相沉积原理
二、化学气相沉积法原理 2、CVD技术的热动力学原理
化学气相沉积
化学气相沉积作为一种非常有效的材料表 面改性方法,具有十分广阔的发展应用前景。 随着工业生产要求的不断提高, CVD 的工艺 及设备得到不断改进, 现已获得了更多新的 膜层, 并大大提高了膜层的性能和质量，它 对于提高材料的使用寿命、改善材料的性 能、节省材料的用量等方面起到了重要的 作用,下一步将向着沉积温度更低、有害生 成物更少、规模更大等方向发展。随着各 个应用领域要求的不断提高, 对化学气相沉 积的研究也将进一步深化,CVD 技术的发展 和应用也将跨上一个新的台阶。
2、CVD过程 反应气体向基体表面扩散
反应气体吸附于基体表面
在基体表面上产生的气相副产物脱离表面
留下的反应产物形成覆层
3、CVD几种典型化学反应
1）热分解
SiH4 >500℃ Si + 2H2 （在900-1000℃成膜） CH3SiCl3 1400℃ SiC + 3HCl
2）还原
WF6 +3H2 SiCl4 + 2Zn WF6 + 3 Si 2 W + 6HF (氢还原) Si + 2ZnCl2 （金属还原） SiF4 （基体材料还原） W+3 2
反应沉积成膜 反应沉积成膜
3、PCVD的特点
成膜温度低
沉积速率高 膜层结合力高
膜层质量好 能进行根据热力学规律难以发生的反应
4、PCVD与CVD装置结构相近， 只是需要增加能产生等离子体 的反应器。用于激发CVD反应 的等离子体有： 直流等离子体 射频等离子体 微波等离子体 脉冲等离子体
直流等离子体法(DCPCVD)
2、PCVD的成膜步骤 等离子体产生 等离子体产生
辉光放电的压力较低，加 速了等离子体的质量 输送和扩散
常压化学气相沉积工艺
常压化学气相沉积工艺常压化学气相沉积（CVD）工艺是一种常用的薄膜制备技术，它通过控制化学反应在常压下在固体表面上形成薄膜。
该工艺具有高效、高纯度和高均匀性等特点，广泛应用于电子、光电子、材料科学等领域。
一、常压化学气相沉积的原理常压化学气相沉积是通过将反应物质以气态形式引入反应室，通过化学反应在固体表面上形成薄膜。
其主要原理包括以下几个方面：1. 反应物质输送：常压CVD通过气体输送反应物质到反应室中，其中包括载气和前驱物。
载气通常是惰性气体，如氮气或氩气，用于将前驱物传输到反应室。
前驱物是产生所需薄膜的化学物质，可以是气体、液体或固体。
2. 反应室条件控制：常压CVD需要控制反应室的温度、压力和气氛等条件。
温度是控制薄膜生长速率和晶体结构的重要参数，通常通过加热反应室来实现。
压力的控制可以影响反应物质的输送速率和反应速率。
气氛的选择可以影响反应物质的反应路径和产物的性质。
3. 化学反应：常压CVD的核心是化学反应过程，通过控制反应物质在固体表面上的反应，形成所需的薄膜。
反应过程涉及化学物质的吸附、解离、表面扩散和重组等步骤。
反应物质在固体表面上发生化学反应，形成薄膜的主要成分。
二、常压化学气相沉积的应用常压化学气相沉积工艺广泛应用于各个领域，具有以下几个重要应用：1. 薄膜制备：常压CVD可以制备各种功能薄膜，如金属薄膜、氧化物薄膜、碳纳米管等。
这些薄膜具有优良的电学、磁学、光学和力学性能，被广泛应用于各种电子器件、光电器件和传感器等领域。
2. 石墨烯制备：常压CVD是制备石墨烯的常用方法之一。
通过在金属衬底上沉积碳源物质，经过高温热解和表面扩散等过程，可以得到高质量的石墨烯薄膜。
石墨烯具有优异的导电性、机械性能和热导性能，被广泛应用于电子器件、能源存储和传感器等领域。
3. 纳米材料合成：常压CVD可以制备各种纳米材料，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜等。
通过控制反应条件和前驱物的选择，可以得到具有不同形貌和尺寸的纳米材料。
化学气相沉积原理
化学气相沉积原理化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种重要的化学气相沉积技术，广泛应用于材料科学和工程领域。
它通过在高温下使气态前体物质分解并沉积在基底表面上，从而形成薄膜、纳米颗粒或纳米线等结构。
这种方法具有高效、低成本、可控性强等优点，因此受到了广泛关注。
化学气相沉积的原理主要包括气态前体物质的分解和沉积过程。
首先，气态前体物质被输送到反应室中，在高温条件下发生热分解或光解反应，生成活性物种。
这些活性物种在基底表面发生化学反应，最终形成所需的沉积产物。
整个过程中，温度、压力、气体流速等参数对沉积产物的性质起着重要作用。
在化学气相沉积过程中，温度是一个至关重要的参数。
通常，高温有利于气态前体物质的分解，从而增加沉积速率和改善薄膜质量。
但是，过高的温度可能导致杂质的掺杂和晶粒的生长，影响薄膜的性能。
因此，合理控制沉积温度对于获得高质量的沉积产物至关重要。
除了温度，压力也是影响化学气相沉积的重要参数之一。
在高压条件下，气态前体物质的浓度增加，有利于沉积速率的提高。
但是，过高的压力可能导致气体的对流扩散受到限制，从而影响沉积产物的均匀性和致密性。
因此，合理控制沉积压力对于获得均匀致密的沉积产物至关重要。
此外，气体流速和反应时间等参数也对化学气相沉积过程起着重要作用。
合理控制这些参数，可以实现沉积产物的精确控制和优化，从而满足不同应用领域的需求。
总的来说，化学气相沉积技术具有很高的灵活性和可控性，可以制备多种材料和结构。
通过合理控制反应条件和参数，可以实现对沉积产物性质的精确调控，满足不同应用领域的需求。
因此，化学气相沉积技术在材料科学和工程领域具有广阔的应用前景。
化学气相沉积CVD
3. PECVD装置 普通CVD+高频电源（用于产生等离子体）
图8.3.4 卧式管状PECVD装置
用高频产生辉光放电等离子体的卧式反应 器，用于沉积氮化硅等薄膜。
在 350～400℃的低温下，以50～ 100nm／min的沉积速率进行成膜。
图8.3.5 立式PECVD反应器
SiH4生长Si外延层的立式管状 PECVD反 应器，当T=650℃，P<1.3Pa时，可得 到均匀优质的硅外延层。
（3） PECVD工艺的主要缺点是：由于等离子体轰击，使沉 积膜表面产生缺陷，反应复杂，也会使薄膜的质量有 所下降。
PECVD是20世纪80年代崛起的新沉积制膜
技术，特别适用于金属化后钝化膜和多层布 线介质膜的沉积！
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三、光CVD（PCVD）
光化反应：用光束来激活反应物，促进生成物形成的化学反 应。
相沉积中的最简单形式，例如：
SiH4 (气) 800℃～1200℃ Si(固)＋2H2 ↑
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Ni(CO)4(气) 190～240℃ Ni(固)＋4 CO↑ CH4(气) 900~1200℃ C(固)＋2H2 ↑ TiI4(气) 加热 Ti(固)＋2I2 ↑
用作热分解反应沉积的气态化合物原料主要有： 硼的氯化物，氢化物； 第IV族大部分元素的氢化物和氯化物； VB、VIB族的氢化物和氯化物； 铁、镍、钴的羰基化合物和羰基氯化物； 以及铁、镍、铬、铜等的金属有机化合物等。
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2024/10/15
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5. CVD的优缺点
（1）优点： ① 膜层纯度一般很高，很致密，容易形成结晶定向好的材料;
例如：用蓝宝石作基片，用CVD制备的－Al2O3单晶材料, 其杂质含量为30～34ppm，远小于蓝宝石本身的杂质含量； ② 能在较低温度下制备难熔物质；
气相沉积原理
气相沉积原理气相沉积（CVD）是一种重要的薄膜制备技术，广泛应用于半导体、光电子、纳米材料等领域。
其原理是通过在高温下将气体中的化合物分解或反应，使其沉积在基底表面上，形成薄膜或涂层。
气相沉积技术具有高纯度、均匀性好、厚度可控等优点，因此受到了广泛的关注和应用。
气相沉积原理的核心是气体中的化合物在高温下发生化学反应，生成固体产物并沉积在基底表面上。
这一过程主要包括气体输运、表面吸附、化学反应和沉积四个基本步骤。
首先，气体通过输运系统输送到反应室中，然后在基底表面发生吸附，形成反应物质的吸附层。
接着，在高温条件下，吸附层中的化合物发生化学反应，生成固体产物并沉积在基底表面上。
最后，通过控制气体输送和反应条件，可以实现对薄膜厚度、成分和结构的精确控制。
气相沉积技术主要分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两种类型。
其中，CVD是指在高温条件下，气体中的化合物发生化学反应并沉积在基底表面上，形成薄膜或涂层。
而PVD则是通过物理手段，如溅射、蒸发等，将固体材料沉积在基底表面上。
相比之下，CVD技术可以实现更高的纯度和均匀性，因此在半导体、光电子等领域得到了广泛的应用。
在实际应用中，气相沉积技术需要考虑多个因素，如反应气体的选择、反应温度、压力、基底表面状态等。
不同的反应条件会影响薄膜的成分、结构和性能，因此需要精确控制这些参数。
此外，还需要考虑反应室的设计、气体输送系统、基底表面处理等方面的问题，以确保薄膜的质量和稳定性。
总的来说，气相沉积技术是一种重要的薄膜制备技术，具有高纯度、均匀性好、厚度可控等优点，因此在半导体、光电子、纳米材料等领域得到了广泛的应用。
通过精确控制反应条件和参数，可以实现对薄膜的精确控制，满足不同领域的需求。
随着科学技术的不断发展，相信气相沉积技术在未来会有更广阔的应用前景。
化学气相沉积的基本原理及特点
化学气相沉积——基本原理
温度对反应速率的影响： Van’t Hoff规则：反应温度每升高10℃，反应速率大约 增加2-4倍。这是一个近似的经验规则。 Arrhenius方程：
Ae
E RT
式中， A 为有效碰撞的频率因子， E 为活化能。 较低衬底温度下， τ随温度按指数规律变化。
硅化物膜等。
以上这些薄膜的CVD制备法为人们所注意。CVD法制各 的多晶硅膜在器件上得到广泛应用，这是CVD法最有效的应 用场所。
化学气相沉积——基本原理
CVD的化学反应热力学
按热力学原理，化学反应的自由能变化 Gr 可以用反 应物和生成物的标准自由能 G f 来计算，即
Gr Gf (生成物) Gf (反应物)
Gr 2.3RT log KP
K P Pi (生成物)
i 1
n
P（反应物）
j 1 j
m
例：热分解反应
AB( g ) C ( g ) A(s) BC ( g )
PBC KP PAB PC
化学气相沉积——基本原理
反应方向判据：
Gr 0
可以确定反
应温度。
CVD热力学分析的主要目的是预测某些特定条件下某些 CVD反应的可行性（化学反应的方向和限度）。 在温度、压强和反应物浓度给定的条件下，热力学计算 能从理论上给出沉积薄膜的量和所有气体的分压，但是不能 给出沉积速率。
热力学分析可作为确定CVD工艺参数的参考。
化学气相沉积——基本原理
Gr 与反应系统的化学平衡常数 K P 有关
化学气相沉积——基本原理
平衡常数 K P 的意义： 计算理论转化率 计算总压强、配料比对反应的影响
ni Pi P ni
化学气相沉积技术的研究与应用进展
化学气相沉积技术的研究与应用进展化学气相沉积技术（Chemical Vapor Deposition, CVD）是一种重要的化学气相沉积技术，它利用化学反应在固体表面生成薄膜或其他材料。
CVD技术已经在多个领域得到了广泛的应用，包括微电子、光电子、材料科学等。
本文将介绍化学气相沉积技术的基本原理、研究进展及应用，并对其未来发展做出展望。
一、基本原理化学气相沉积技术是一种利用气相中的化学物质在固体表面进行化学反应生成固体薄膜或其他材料的技术。
其基本原理是通过在反应室中将气相中的原料气体与衬底表面进行化学反应，生成所需的薄膜或涂层材料。
在这一过程中，需要控制气体的流动、温度、压力和反应条件等参数，以实现所需的沉积效果。
化学气相沉积技术广泛应用于材料科学领域，例如在半导体器件制造中，CVD技术被广泛用于生长硅薄膜、氧化层、金属多层膜等材料。
在光电子领域，CVD技术也被用于制备光学薄膜、光纤等材料。
CVD技术还可以用于生长碳纳米管、石墨烯等碳基材料的制备。
二、研究进展近年来，化学气相沉积技术在研究领域取得了许多重要进展。
一些新型CVD技术已经在材料制备、纳米器件生长等方面展现出了潜力和优势。
1. 低温CVD技术传统的CVD技术需要高温条件下进行反应，这限制了一些热敏感材料的应用。
近年来，研究人员开始开发低温CVD技术，以满足对低温条件下进行材料制备的需求。
低温CVD技术可以通过改变原料气体、反应条件或采用特殊催化剂等手段来实现，在生长高质量的薄膜材料的降低了工艺温度对材料的影响。
2. 原子层沉积（ALD）技术原子层沉积技术是一种高度精确的沉积技术，它可以在衬底表面上形成原子尺度的薄膜。
与传统的CVD技术相比，ALD技术可以实现更高的沉积精度和均匀性，因此被广泛应用于微电子器件的制备、纳米材料的生长等领域。
3. 气相硅烷化技术气相硅烷化技术是一种将硅源气体进行化学反应生成硅薄膜的CVD技术。
相比于传统的硅化物CVD技术，气相硅烷化技术可以在较低的温度下实现高质量的硅薄膜生长，同时可以降低对衬底材料的损伤，因此在太阳能电池、柔性电子等领域有广泛的应用前景。
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化学气相沉积原理
化学气相沉积原理（ChemicalVaporDeposition，CVD）技术是一种利用特定温度和压力等环境下，以原料气体为主要反应物，在晶体表面生成一层膜的一种技术。
它是制备复杂晶体和半导体材料、功能膜绝缘膜以及薄膜传感器等的重要手段。
本文将对化学气相沉积原理进行简要介绍并探讨其原理、发展状况和应用前景。
化学气相沉积原理是20世纪60年代美国Stony Brook大学的研究人员发明的。
原理是利用特定温度和压力，将源气体反应后形成膜，在许多材料上都可以进行。
它不仅具有半导体薄膜和金属膜的有机结合性，而且在低温、低压条件下，晶体表面受到源气体的温度和压力的影响极小，可以在各种晶体表面上形成膜，用以获得有效的原位制备有序膜。
一般来说，CVD技术具有以下特点：1、反应产物留在晶体表面，操作步骤简单，可以形成深厚的均匀合晶膜；2、晶体表面和晶体体系都不受到CVD过程的影响；3、均匀膜可用于形成精密器件或小型器件；4、CVD过程中不会产生有害物质，环境污染小；5、CVD过程中可以形成合晶膜，无须热处理保持晶体结构；6、可用于大规模生产。
CVD技术最早被用于半导体制备，因其具有良好的结构控制和可大规模生产的特点，近年来，CVD技术被广泛用于金属膜、纳米晶体、纳米化合物等的制备，成为特种器件、传感器、节能技术和生物医学技术的重要基础。
CVD技术的发展以来，已经取得了较大的进展。
现在，CVD技术已被用于多种半导体芯片、显示器和太阳能电池的制备，有效地为现代信息、电子、能源和医疗等领域提供了支撑。
随着更先进的技术的出现，CVD技术的研究和应用也在不断发展，被广泛应用于传感器，电子信号处理，新材料研究，太阳能电池，太空技术等领域，发挥着重要作用。
总之，化学气相沉积技术发展快速，应用广泛，已经取得了许多重要的研究成果，可以有效地支撑信息、电子、能源和医疗等领域的发展。
新一代CVD技术可以为未来许多领域提供更多的可能性，它将成为节能技术，精密器件，薄膜传感器，生物医学技术的重要基础。