常压化学气相沉积(APCVD)

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化学气相沉积法制备石墨烯材料

化学气相沉积法制备石墨烯材料

化学气相沉积法新材料的制备1 化学气相沉积法化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术,包括大范围的绝缘材料,大多数金属材料和金属合金材料。

从理论上来说,它是很简单的:两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应,形成一种新的材料,沉积到晶片表面上。

淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子,它是由硅烷和氮反应形成的。

1.1 化学气相沉积法的原理化学气相沉积法是利用气相反应,在高温、等离子或激光辅助灯条件下,控制反应器呀、气流速率、基板材料温度等因素,从而控制纳米微粒薄膜的成核生长过程;或者通过薄膜后处理,控制非晶薄膜的晶化过程,从而或得纳米结构的薄膜材料。

CVD方法可以制备各种物质的薄膜材料。

通过反应气体的组合可以制备各种组成的薄膜,也可以制备具有完全新的结构和组成的薄膜材料,同时让高熔点物质可以在较低温度下制备。

1.2 分类用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料,包括单元素物、化合物、氧化物、氮化物、碳化物等。

采用各种反应形式,选择适当的制备条件—基板温度、气体组成、浓度和压强、可以得到具有各种性质的薄膜才来。

通过反应类型或者压力来分类,可以将化学气相沉积法分为:低压CVD(LPCVD),常压CVD(APCVD),亚常压CVD(SACVD),超高真空CVD(UHCVD),等离子体增强CVD(PECVD),高密度等离子体CVD(HDPCVD)以及快热CVD(RTCVD),以及金属有机物CVD(MOCVD) 化学气相沉积的化学反应形式,主要有热分解反应、氢还原反应、金属还原反应、基板还原反应、化学输运反应、氧化反应、加水分解反应、等离子体和激光激发反应等。

具体表现如下表:表1-1 化学气相沉积的各种反应形式1.3 反应参数CVD反应室中的反应是很复杂的,有很多必须考虑的因素,沉积参数的变化范围是很宽的:反应室内的压力、晶片的温度、气体的流动速率、气体通过晶片的路程、气体的化学成份、一种气体相对于另一种气体的比率、反应的中间产品起的作用、以及是否需要其它反应室外的外部能量来源加速或诱发想得到的反应等。

气相沉积的概念

气相沉积的概念

气相沉积的概念气相沉积(Gas Phase Deposition)是一种常用的薄膜制备技术,它通过在气体相中加入适当的前体物质,利用物质的气相反应来沉积不同材料的薄膜。

气相沉积技术包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两种。

化学气相沉积是指利用化学反应使气态前体分子发生解离或化学反应,并在衬底表面上生成固态产物的过程。

化学气相沉积可以分为低压化学气相沉积(LPCVD)和大气压化学气相沉积(APCVD)。

前者是在真空或低压环境下进行,后者则是在大气压下进行。

低压化学气相沉积主要通过两种方式进行:热解和气相化学反应。

在热解法中,高压气体通过加热管,被导入反应室中,然后沉积在衬底上。

而在气相化学反应中,通常需要增加催化剂,先生成前体气体,然后进行气相反应,最后在衬底表面上形成固态化合物。

在低压化学气相沉积中,可以制备出包括二氧化硅、多晶硅、金刚石、碳化硅等材料的薄膜。

大气压化学气相沉积常用于较简单的沉积过程,例如氧化物的沉积。

在该方法中,通常将前体分子溶解在溶剂中,形成液体溶液,然后将衬底浸入溶液中,通过加热使溶液中的前体分子析出并沉积在衬底上。

大气压化学气相沉积主要用于制备硅氧薄膜、氮化硅薄膜和锡氧化物薄膜等。

物理气相沉积是通过物理手段将固体物质转变为薄膜。

物理气相沉积包括物理气相淀积(Physical Vapor Deposition, PVD)和分子束外延(Epitaxy, MBE)两种方法。

物理气相沉积的主要特点是沉积温度低、沉积速度快,且可以制备出高纯度的薄膜。

物理气相淀积通常包括蒸发法和溅射法两种技术。

蒸发法是将沉积材料加热至其蒸汽压以上,然后通过进一步冷凝沉积在衬底表面上。

溅射法是将材料制备成靶材,然后用高能粒子轰击靶材,使材料脱离靶材并沉积在衬底上。

物理气相沉积主要用于制备金属和合金材料的薄膜。

分子束外延是一种用于制备高质量晶体薄膜的技术。

在分子束外延中,通过高真空环境下,利用分子束磊晶或分子束蒸镀方法,将具有单晶性的材料沉积在衬底上。

常压化学气相沉积(APCVD)

常压化学气相沉积(APCVD)
2. Gases diffuse through the boundary layer.
3. Gases come in contact with surface of substrate.
4. Deposition reaction takes place on surface of substrate.
a) Gas Velocity b) Reactant-Gas Concentration c) Temperature
Illustration of a horizontal APCVD reactor
Equipment structures
Illustration of structures of APCVD system
Gof .i = standard free energy of formation of species • “i” at temperature T and 1 atm.
• R = gas constant
• T = absolute temperature
• Q = iaizi
•ai = activity of species “i” which is = 1 for pure solids and =
• A CVD reaction is governed by thermodynamics, that is the
driving force which indicates the direction the reaction is going to proceed (if at all), and by kinetics, which defines the transport process and determines the rate-control mechanism, in other words, how fast it is going.

PECVD沉积

PECVD沉积
PECVD
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 等离子体增强化学气相沉积
CVD 定义
• 化学气相沉积是通过化学反应方式,利用加 热、等离子激励或光辐射等各种能源,在反 应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相 或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的 技术。 • 简单来说就是:两种或两种以上的气态原材 料导入到一个反应室内 ,然后他们相互之间发 生化学反应,形成一种新的材料,沉积到基 片表面上。
ZnO
• 氧化锌基薄膜的研究进展迅速,材料性能 已可与ITO相比拟,结构为六方纤锌矿型。 其中铝掺杂的氧化锌薄膜研究较为广泛, 它的突出优势是原料易得,制造成本低廉, 无毒,易于实现掺杂,且在等离子体中稳 定性好。预计会很快成为新型的光伏TCO 产品。目前主要存在的问题是工业化大面 积镀膜时的技术问题。
ITO
• ITO(IndiumTinOxide)镀膜玻璃是一种非常成熟 的产品,具有透过率高,膜层牢固,导电性好等 特点,初期曾应用于光伏电池的前电极。但随着 光吸收性能要求的提高,TCO玻璃必须具备提高 光散射的能力,而ITO镀膜很难做到这一点,并 且激光刻蚀性能也较差。铟为稀有元素,在自然 界中贮存量少,价格较高。ITO应用于太阳能电 池时在等离子体中不够稳定,因此目前ITO镀膜 已非光伏电池主流的电极玻璃。
一般说来,采用PECVD 技术制备薄膜材料时,薄膜的 生长主要包含以下三个基本过程:
(一)在非平衡等离子体中,电子与反应气体发 生初级反应,使得反应气体发生分解,形成离子 和活性基团的混合物; (二)各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散 输运,同时发生各反应物之间的次级反应;
(三)到达生长表面的各种初级反应和次级反应 产物被吸附并与表面发生反应,同时伴随有气相 分子物的再放出。

化学气相沉积法分类

化学气相沉积法分类

电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下,用引弧针引弧,使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电,阴极表面快速移动着多个阴极弧斑,不断迅速蒸发甚至“异华”镀料,使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体,并能迅速将镀料沉积于基体。
离子镀基本原理是在真空条件下,采用某种等离子体电离技术,使镀料原子部分电离成离子,同时产生许多高能量的中性原子,在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下,离子沉积于基体表面形成薄膜。
物理气相沉积法主要方法
真空蒸镀基本原理是在真空条件下,使金属、金属合金或化合物蒸发,然后沉积在基体表面上,蒸发的方法常用电阻加热,高频感应加热,电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料,使蒸发成气相,然后沉积在基体表面。
溅射镀膜是充氩(Ar)气的真空条件下,使氩气进行辉光放电,这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+),氩离子在电场力的作用下,加速轰击以镀料制作的阴极靶材,靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。如果采用直流辉光放电,称直流溅射,射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。
离子镀基本原理是在真空条件下,采用某种等离子体电离技术,使镀料原子部分电离成离子,同时产生许多高能量的中性原子,在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下,离子沉积于基体表面形成薄膜。
快速热化学气相沉积(Rapid thermal CVD, RTCVD):使用加热灯或其他方法快速加热晶圆。只对基底加热,而不是气体或腔壁。可以减少不必要的气相反应,以免产生不必要的粒子。
低压化学气相沉积(Low-pressure CVD, LPCVD):在低压环境下的CVD制程。降低压力可以减少不必要的气相反应,以都是使用LPCVD或UHVCVD。
有机金属化学气相沉积法(MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition),前驱物使用有机金属的CVD技术。它是以III族、II族的有机化合物同V族、VI族的氢化物等作为晶体生长源材料,以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长各种III-V族、II-VII族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

化学气相沉积

化学气相沉积

集成电路芯片工艺化学气相沉积(CVD)化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。

CVD膜的结构可以是单晶、多晶或非晶态,淀积单晶硅薄膜的CVD过程通常被称为外延。

CVD技术具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。

利用CVD方这几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜,例如掺杂或不掺杂的SiO:、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等。

一:化学气相沉积方法常用的CVD方法主要有三种:常压化学汽相淀积(APCVD)、低压化学汽相淀积(LPCVIi~)和等离子增强化学汽相淀积(PECVD).APCVD反应器的结构与氧化炉类似,如图1-1所示,该系统中的压强约为一个大气压,因此被称为常压CVD。

气相外延单晶硅所采用的方法就是APCVD。

图1-1APCVD反应器的结构示意图,LPCVD反应器的结构如图1-2所示,石英管采用三温区管状炉加热,气体由一端引入,另一端抽出,半导体晶片垂直插在石英舟上。

由于石英管壁靠近炉管,温度很高,因此也称它为热壁CVD装置,这与利用射频加热的冷壁反应器如卧式外延炉不同.这种反应器的最大特点就是薄膜厚度的均匀性非常好、装片量大,一炉可以加工几百片,但淀积速度较慢.它与APCVD的最大区别是压强由原来的1X10SPa降低到1X102Pa左右。

图1-2LPCVD反应器的结构示意图图1-3平行板型PECVD反应器的结构示意图PECVD是一种能量增强的CVD方法,这是因为在通常CVD系统中热能的基础上又增加了等离子体的能量.图1-3给出了平行板型等离子体增强CVD反应器,反应室由两块平行的金属电极板组成,射频电压施加在上电极上,下电极接地。

射频电压使平板电极之间的气体发生等离子放电。

工作气体由位于下电极附近的进气口进入,并流过放电区。

半导体片放在下电极上,并被加热到100—400;C左右.这种反应器的最大优点是淀积温度低。

化学气相沉积(中文版)2016年

化学气相沉积(中文版)2016年
• 大型有机分子 • TEOS分子不是完整对称的 • 可以与表面形成氢键并物理吸附在基片表面 • 表面迁移率高 • 好的阶梯覆盖、保形性与间隙填充 • 广泛使用在氧化物的沉积上
两种主要CVD源材料的主要特点
硅烷成本低,沉积速率较快
因为TEOS比硅烷热分解产物的黏附系数小一个数量 级,所以TEOS在表面的迁移能力与再发射能力都很 强,台阶覆盖性较好.
的加热回流温度,可以形成更为平坦的表面. • BPSG (在PSG基础上掺硼形成的硼磷硅玻璃)
:可以进一步减低回流的圆滑温度而磷的浓 度不会过量
PSG在摄氏1100 °C, N2气氛中退火 20分钟回流圆滑情形
0wt%
2.2wt%
4.6wt%
资料来源: VLSI Technology, by S.M. Sze
• 射频在沉积气体中感应等离子体场以提 高反应效率,因此,低温低压下有高的 沉积速率.
• 表面所吸附的原子不断受到离子与电子 的轰击,容易迁移,使成膜均匀性好,台阶覆 盖性好
等离子体增强型化学气相沉积 (PECVD)
制程反 应室
制程反 应室
晶圆
RF功率产生器 等离子体
副产品被 泵浦抽走
加热板
保形覆盖
CVD二氧化硅应用
• 钝化层 • 浅沟槽绝缘(STI) • 侧壁空间层 • 金属沉积前的介电质层(PMD) • 金属层间介电质层(IMD)
浅沟槽绝缘(STI)
成长衬垫氧化层 沉积氮化硅
蚀刻氮化硅 ,氧化硅与 硅基片
成长阻挡氧 化层
CVD USG 沟槽填充
CMP USG USG 退火
剥除氮化硅 与氧化硅
CVD氮化硅的特性与沉积方法
• 很适合于作钝化层,因为 • 它有非常强的抗扩散能力,尤其是钠和水

CVD

CVD
化学气相沉积技术
CVD
化学气相沉积技术
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition---CVD)


沉积是指一种材料以物理方式沉积在基体表面的成 型工艺过程。 CVD是一种用来产生纯度高、性能好的固态材料的 化学技术。该技术将基底暴露在一种或多种不同的 前驱物下,通过在基底表面发生化学反应或化学分 解来沉积产生薄膜。

PECVD---工作原理

1. 2.
以碳氢化合物(CH4、C2H2等)为气体原料与氢气 混合,利用微波使碳氢化合物离解,在等离子态时, 氢离子相互结合成氢气,可以被抽真空设备抽走, 剩下的碳离子带正电荷,因此在需生长金刚石薄膜 或钻石的基体上通负电,在电场的引导下,带正电 荷的碳离子就会向通负电的基体移动,最后沉淀在 基体上。 在金刚石基体上按照金刚石晶格生长出单晶钻石; 在非金刚石(Si、SiC等)基体上生长出多晶金刚 石薄膜层。CVFra bibliotek技术的分类


1.常压化学气相沉积 APCVD (Atmospheric Pressure CVD) 2.低压化学气相沉积 LPCVD (Low-pressure CVD) 3. 等离子体增强化学气相沉积PECVD ( Plasma Enhanced CVD )
CVD技术的应用
使用CVD技术可以沉积不同形式的材料 包括:单晶、多晶、非晶及磊晶材料。 这些材料包含:硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳 米线、纳米碳管、SiO2、硅碳、氮化硅、氮 氧化硅等材料。 CVD可用来合成钻石。

CVD技术举例---PECVD
PECVD是借助微波使含有薄膜组成原子的气 体电离,在局部形成等离子体,利用了等离子 体的化学活性很强的特点来促进反应,可使化 学反应能在较低的温度下进行,在基体上沉积 出所期望的薄膜。 使用PECVD可以合成钻石。相比原有的利用 高温高压的方法将碳转变为钻石的方法,生产 要求大大降低,随着技术的不断改进,将可以 批量生产出大颗粒的钻石。
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• 1963: Introduction of plasma CVD in electronics. • 1968: Start of industrial use of CVD coated cemented carbides. • 1980s: Introduction of CVD diamond coatings. • 1990s: Rapid expansion of metallo-organic CVD (MOCVD) for ceramic and metal deposition.

Eq. (1)
o ∆Gr = ∑ ∆G o products − ∑ ∆G o reactants f f
The free energy of formation is not a fixed value but varies as a function of several parameters which include the type of reactants, the molar ratio of these reactants, the process temperature, and the process pressure. This relationship is represented by the following equation:
PT
•By definition, the free energy change for a reaction at equilibrium is zero, hence: Eq. (3)
∆G = − RT ln K
(K is the equilibrium constant)
• It is the equilibrium conditions of composition and activities (partial pressure for gases) that are calculated to assess the yield of a desired reaction.
Eq. (2)
∆Gr = ∆G o + RT ln Q f
∆Gro = ∑ Z ij ∆G o .i f
where:
Z i =stoichiometric coefficient of species “i” in the CVD reaction (negative for reactants, positive for products) ∆G o .i = standard free energy of formation of species f • “i” at temperature T and 1 atm. • R = gas constant • T = absolute temperature zi • Q = Π i ai • ai = activity of species “i” which is = 1 for pure solids and = pi = xi P for T gases • pi =partial pressure of species “i” • x = mole fraction of species “i” • i = total pressure

∆G Calculations and Reaction Feasibility
• The first step of a theoretical analysis is to ensure that the desired CVD reaction will take place. This will happen if the thermodynamics is favorable, that is if the transfer of energy—the free-energy change of the reaction known as ∆Gr—is negative. To calculate ∆Gr, it is necessary to know the thermodynamic properties of each component, specifically their free energies of formation (also known as Gibbs free energy), ∆Gf. The relationship is expressed by the following equation:
Thermodynamic of CVD

A CVD reaction is governed by thermodynamics, that is the driving force which indicates the direction the reaction is going to proceed (if at all), and by kinetics, which defines the transport process and determines the rate-control mechanism, in other words, how fast it is going. Chemical thermodynamics is concerned with the interrelation of various forms of energy and the transfer of energy from one chemical system to another in accordance with the first and second laws of thermodynamics. In the case of CVD, this transfer occurs when the gaseous compounds, introduced in the deposition chamber, react to form the solid deposit and by-products gases.
Atmospheric Pressure CVD (APCVD) )
Luomin(罗敏)
History of CVD
• What is APCVD? • Chemical vapor deposition may be defined as the deposition of a solid on a heated surface from a chemical reaction in the vapor phase. It belongs to the class of vapor-transfer processes which is atomistic in nature, that is the deposition species are atoms or molecules or a combination of these. • APCVD is a CVD method at normal pressure (atmospheric pressure) which is used for deposition of doped and undoped oxides. The deposited oxide has a low density and the coverage is moderate due to a relatively low temperature .
Fundamentals of 源自PCVDMain factors influence the deposition
a) Gas Velocity b) Reactant-Gas Concentration c) Temperature
Illustration of a horizontal APCVD reactor
Deposition Sequence
The sequence of events taking place during a CVD reaction can be summarized as follows: 1. 2. 3. 4. 5. Reactant gases enter the reactor by forced flow. Gases diffuse through the boundary layer. Gases come in contact with surface of substrate. Deposition reaction takes place on surface of substrate. Gaseous by-products of the reaction are diffused away from the surface, through the boundary layer.
Equipment structures
Illustration of structures of APCVD system
Example
Deposition of SiO2 on the substrate
• APCVD is often used for deposition of doped and undoped oxides. The deposited oxide has a low density and the coverage is moderate due to a relatively low temperature. Because of improved tools, the APCVD undergoes a renaissance. The high wafer throughput is a big advantage of this process SiH4 + O2→SiO2 + 2H2 (T = 430 °C, p = 105Pa) As process gases silane SiH4 (highly deluted with nitrogen N2) and oxygen O2 are used. The gases are decomposed thermal at about 400 °C and react with each other to form the desired film.
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