第五章化学气相沉积.
丙酮 CH3COCH3
绝大多数沉积过程都涉及到两种或多种气态反 应物在一个热基体上发生的相互反应，这类反应称 化学合成反应。
其中最普遍的一种类型就是用氢还原卤化物来 沉积各种金属和半导体薄膜，以及选用合适的氢 化物、卤化物或金属有机化合物来沉积绝缘膜。 例：
1150~1200C SiCl4 2H 2 Si 4HCl （3）化学输运反应
细孔都能得到均匀镀膜，具有台阶覆盖性能， 适宜于复杂形状的基板。 （4）能得到纯度高、致密性好、残余应力小、结 晶良好的薄膜镀层。 （5）薄膜生长的温度比膜材料的熔点低得多，可 以得到纯度高、结晶完全的膜层，这是有些 半导体膜层所必须的。 （6）CVD法可获得平滑的沉积表面。 （7）辐射损伤低。 主要缺点： 反应温度太高，一般要求在1000°C左右，使基 体材料都耐受不住高温，因此限制了它的使用。
T1 T2 T1 T2 T1
GeI 2 ZrI 2
1 ZnS ( s ) I 2 ( g ) T ZnI 2 S 2 2 2 如果传输剂XB是气体化合物，而所要沉积的是 固态物质常数为
T1 T2
ABx
( PB ) x 式中，PABx和PB分别为ABx和XB的气体分压强。
晶态无机薄膜，金刚石薄膜，高Tc超导薄膜、 透明导电薄膜以及某些敏感功能薄膜。在以LSI 为中心的薄膜微电子学领域起着重要作用。
2、特点或优点、缺点
由于CVD法是利用各种气体反应来组成薄膜所以可
任意控制薄膜组成，从而制得许多新的膜材 优点：
（1）既可以制作金属薄膜、非金属薄膜，又可按 要求制作多成分的合金薄膜。 （2）成膜速度可以很快，每分钟可达几个μm甚 至数百μm。 （3）CVD反应在常压或低真空进行，镀膜的绕射 性好，对于形状复杂的表面或工件的深孔、
把需要沉积的物质当作源物质（不挥发性物质）， 借助于适当的气体介质与之反应而形成一种气态化 合物，这种气态化合物经化学迁移或物理载带（利 用载气）输运到与源区温度不同的沉积区，并在基 板上再发生逆向的反应，使源物质重新在基板上沉 积出来，这样的反应过程称为化学输运反应。
例：
Ge( s ) I 2 ( g ) Zr ( s ) I 2 ( g )
第五章 化学气相沉积
一、CVD的概念、优点及特点 二、CVD的基本原理 三、CVD方法简介
一、CVD的概念、优点及特点 1、概念
化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称 CVD( Chemical Vapor Deposition )技术。这种方 法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的气体 供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等 能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应（热分 解或化学合成）生成要求的薄膜。 CVD不同于PVD，PVD是利用蒸镀材料或溅射材料 来制备薄膜的。 CVD法是一种化学反应方法，应用范围非常广泛， 可制备多种物质薄膜，如各种单晶、多晶或非
Kp
PABx
三、CVD法简介
选择CVD反应和反应器决定很多因素，主要有 薄膜的性质、质量、成本、设备大小，操作方便、 原料的纯度和来源方便及安全可靠等。但任何 CVD所用的反应体系，都必须满足以下三个条件： （1）在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸气 压，要保证能以适当的速度被引入反应室； （2）反应产物除了所需要的沉积物为固态薄膜之 外，其他反应产物必须是挥发性的； （3）沉积薄膜本身必须具有足够低的蒸气压，以 保证在整个沉积反应过程中都能保持在受热的基体 上；基体材料在沉积温度下的蒸气压也必须足够低。 总之，CVD的反应在反应条件下是气相，生成物 之一必须是固相。
（3）按反应器壁的温度，可分为热壁方式和冷壁 方式CVD； （4）按反应激活方式，可分为热激活和等离子体 激活CVD等。 各种CVD装置都包括以下主要部分：反应气体输 入部分，反应激活能源供应部分和气体排出部分。
1.常压CVD(APCVDAtmospheric Pressure CVD )
开口体系CVD工艺的特点是能连续地供气和 排气，物料的运输一般是靠外加不参予反应的 惰性气体来实现的。开口体系在一个大气压或稍高 于一个大气压下进行。其沉积工艺容易控制，工艺 重现性好，工件容易取放，同一装置可反复多次使 用。 2、低压CVD (LPCVD-Low Pressure CVD) LPCVD的原理与常压CVD基本相同，其主要区 别是：由于低压下气体的扩散系数增大，使气态反 应剂与副产物的质量传输速度加快，形成沉积薄膜 的反应速度增加。
二、CVD法的基本原理
CVD法的基本原理是建立在化学反应的基础上， 习惯上把反应物是气体而生成物之一是固体的反应 称为CVD反应。
1、CVD法制备薄膜的几个主要阶段
（1）反应气体向基片表面扩散；
（2）反应气体吸附于基片的表面； （3）在基片表面上发生化学反应； （4）在基片表面上产生的气相副产物脱离表面而 扩散掉或被真空泵抽走，在基片表面留下不
挥发的固体反应产物－－薄膜。
2、CVD法的反应类型
（1）热分解反应
热分解法一般在简单的单温区炉中，在真空或惰 性气体保护下加热基体至所需温度后，导入反应物 气体使之发生热分解，最后在基体上淀积出固态涂 层。热分解法已用于制备金属、半导体和绝缘体等 各种薄膜。
例：
（2）化学合成反应
AB( g ) A(s) B( g ) 700~1100C SiH 4 Si 2H 2
CVD技术的分类： （1）按淀积温度，可分为低温（200～500℃）、 中温（500～1000℃）和高温（1000～1300℃）； （2）按反应器内的压力，可分为:
常压CVD (APCVD- Atmospheric Pressure CVD) 低压CVD (LPCVD- Low Pressure CVD）、 等离子增强型CVD (PECVD- Plasma-Enhanced CVD ) 高密度等离子CVD (HDPCVD-high density plasma CVD)
合集下载
第五章 薄膜的化学气相沉积.
多晶硅在集成电路中有许多重要的应用： 1. MOS的栅级用多晶硅代替铝 2. 高掺杂的多晶硅作为集成电路中的互连线 3. 高掺杂的多晶硅薄膜在双级和BiCMOS技
术中用来做发射极 4. 填充介质隔离技术中的深槽或浅槽。 5. 通过掺杂改变多晶硅的功函数，从而调整MOS器件的阈值
电压
5.3 CVD多晶硅的特性和制备方法
气体的流速分布和边界层,即泊 松流。
在化学气相沉积过程中，衬底表面的气体也要形成 相应的边界层，由于在边界层内，气体处于一种流 动性很低的状态，而反应物和反应产物都需要经过 扩散过程通过边界层，因此边界层的存在限制了沉 积的速度。根据
（x) 5x
Re( x)
Re(x) v0 x
（提高Re，降低边界层厚度）
4、化合反应:只要所需物质的先驱物可以气态存在并具有反 应活性，就可以利用化学反应沉积其化合物，如
SiCl4(g) + CH4(g) = SiC(s) + 4HCl(g) (1400℃) 3SiH4+4NH3=Si3N4+12H2 BCl3+NH3=BN+HCl
5.2 边界层理论
一、流动气体的边界层及影响因素
质量输运控制的CVD 质量输运过程是通过气体扩散完成的，扩散速度 与气体的扩散系数和边界层内的浓度梯度有关。 质量输运速率控制的薄膜沉积速率与主气流速度 的平方根成正比，增加气流速度可以提高薄膜沉 积速率，当气流速率大到一定程度时，薄膜的沉 积速率达到一稳定值不再变化。沉积速率转变为 由表面反应速度控制
（一般是热壁型的）
维持低压
低压CVD装置图
2、PECVD和HDPCVD
（1）PECVD使用辉光放电等离子体的能量来产生并维 持化学反应。PECVD的反应气压与LPCVD的气压差不多 （5-500Pa），但PECVD的沉积温度比LPCVD的沉积温度 低 很 多 。 如 LPCVD 沉 积 Si3N4 的 温 度 800-900C ， 而 用 PECVD只需350C。因为等离子体可以促进气体分子的分 解、化合、激发和电离过程，促进反应活性基团的形成， 因而显著降低了反应沉积温度。
术中用来做发射极 4. 填充介质隔离技术中的深槽或浅槽。 5. 通过掺杂改变多晶硅的功函数，从而调整MOS器件的阈值
电压
5.3 CVD多晶硅的特性和制备方法
气体的流速分布和边界层,即泊 松流。
在化学气相沉积过程中，衬底表面的气体也要形成 相应的边界层，由于在边界层内，气体处于一种流 动性很低的状态，而反应物和反应产物都需要经过 扩散过程通过边界层，因此边界层的存在限制了沉 积的速度。根据
（x) 5x
Re( x)
Re(x) v0 x
（提高Re，降低边界层厚度）
4、化合反应:只要所需物质的先驱物可以气态存在并具有反 应活性，就可以利用化学反应沉积其化合物，如
SiCl4(g) + CH4(g) = SiC(s) + 4HCl(g) (1400℃) 3SiH4+4NH3=Si3N4+12H2 BCl3+NH3=BN+HCl
5.2 边界层理论
一、流动气体的边界层及影响因素
质量输运控制的CVD 质量输运过程是通过气体扩散完成的，扩散速度 与气体的扩散系数和边界层内的浓度梯度有关。 质量输运速率控制的薄膜沉积速率与主气流速度 的平方根成正比，增加气流速度可以提高薄膜沉 积速率，当气流速率大到一定程度时，薄膜的沉 积速率达到一稳定值不再变化。沉积速率转变为 由表面反应速度控制
（一般是热壁型的）
维持低压
低压CVD装置图
2、PECVD和HDPCVD
（1）PECVD使用辉光放电等离子体的能量来产生并维 持化学反应。PECVD的反应气压与LPCVD的气压差不多 （5-500Pa），但PECVD的沉积温度比LPCVD的沉积温度 低 很 多 。 如 LPCVD 沉 积 Si3N4 的 温 度 800-900C ， 而 用 PECVD只需350C。因为等离子体可以促进气体分子的分 解、化合、激发和电离过程，促进反应活性基团的形成， 因而显著降低了反应沉积温度。
化学气相沉积
积速率的影响将变得 迟
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）：
14
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
20
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”
19
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
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）：
14
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
20
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”
19
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
历史的简短回顾
→古人类取暖或烧烤时熏在岩洞壁或岩石上的黑色碳层 →中国古代炼丹术中的“升炼”（最早的记载） →20世纪50年代，现代CVD技术用于刀具涂层（碳化钨 为基材经CVD氧化铝、碳化钛、氮化钛） →20世纪60、70年代，半导体和集成电路技术、超纯多 晶硅。 →1990年以来我国王季陶，提出激活低压CVD金刚石生 长热力学耦合模型。第一次真正从理论和实验对比上定 量化地证实反自发方向的反应可以通过热力学反应耦合 依靠另一个自发反应提供的能量推动来完成。
化学气相沉积的反应类型 简单热分解和热分解反应沉积
通常ⅢA,ⅣA，ⅤA族的一些低周期元素的氢化物如CH4、 SiH4、GeH4、B2H6、PH3、AsH3等都是气态化合物，而且加 热后易分解出相应的元素。因此很适合用于CVD技术中作 为原料气。其中CH4，SiH4分解后直接沉积出固态的薄 膜，GeH4也可以混合在SiH4中，热分解后直接得Si—Ge 合金膜。例如：
简单热分解和热分解反应沉积
通常金属化合物往往是一些无机盐类．挥发性很低，很 难作为CVD技术的原料气；而有机烷基金属则通常是气体 或易挥发的物质，因此制备金属或金属化合物薄膜时， 常常采用这些有机烷基金属为原料，应地形成了一类金 属有机化学气相沉积(Metal—Organic Chemical Vapor Deposition简称为MOCVD)技术。 其它一些含金属的有机化合物，例如三异丙醇铝 [Al(OC3H7)3] 以及一些β—丙酮酸(或β—二酮)的金属配 合初等不包含C—M键(碳一金属键)．并不真正属于金属 有机化合物，而是金属的有机配合物或含金属的有机化 合物。这些化合物也常常具有较大的挥发性，采用这些 原料的CVD技术，有时也被包含在MOCVD技术之中。
CVD的沉积反应室内部结构及工作原理变化最大，常常根 据不同的反应类型和不同的沉积物要求来专门设计。但 大体上还是可以把不同的沉积反应装置粗分为以下一些 类型。
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。
化学气相沉积法
时间与速率
要点一
总结词
时间和沉积速率在化学气相沉积过程中具有重要影响，它 们决定了薄膜的厚度和均匀性。
要点二
详细描述
时间和沉积速率决定了化学气相沉积过程中气体分子在反 应器中的停留时间和沉积时间。较长的停留时间和较慢的 沉积速率有利于气体分子充分反应和形成高质量的薄膜。 然而，过长的停留时间和过慢的沉积速率可能导致副反应 或降低沉积速率。因此，选择合适的时间和沉积速率是实 现均匀、高质量薄膜的关键。
05
化学气相沉积法优 缺点
优点
适用性广
涂层性能优良
化学气相沉积法适用于各种材料表面改性 和涂层制备，如金属、陶瓷、玻璃等。
通过控制化学气相沉积的条件，可以制备 出具有高硬度、高耐磨性、高抗氧化性的 涂层。
环保
高效
化学气相沉积法使用的原料在高温下分解 ，不会对环境造成污染。
化学气相沉积法具有较高的沉积速率，可 实现快速涂层制备。
应用领域
半导体产业
用于制造集成电路、微 电子器件和光电子器件
等。
陶瓷工业
制备高性能陶瓷材料， 如氧化铝、氮化硅等。
金属表面处理
在金属表面形成耐磨、 防腐、装饰等功能的涂
层。
其他领域
在航空航天、能源、环 保等领域也有广泛应用
。
02
化学气相沉积法分 类
热化学气相沉积法
原理
在较高的温度下，使气态的化 学反应剂与固态表面接触，通 过气相反应生成固态沉积物。
缺点
高温要求
化学气相沉积法需要在高温下进行，这可能会对 基材产生热损伤或变形。
操作难度大
化学气相沉积法需要精确控制反应条件，操作难 度较大。
ABCD
设备成本高
化学气相沉积法PPT课件
CVD不同于PVD，PVD是利用蒸镀材料或溅射材料来制备 薄膜的。
CVD法是一种化学反应法，应用非常广泛，可制备多种物 质的薄膜，如单晶、多晶或非晶态无机薄膜，金刚石薄膜， 高Tc超导薄膜、透明导电薄膜以及某些敏感功能的薄膜。
2020/10/13
3
化学气相沉积薄膜的特点：
• 由于CVD法是利用各种气体反应来组成薄膜，所以可 以任意控制薄膜的组成，从而制得许多新的膜材。
化学气相沉积法
2020/10/13
姓名：尤凤霞 08材成
1
• 一.化学气相沉积的概念 • 二.化学气相沉积薄模的特点 • 三.化学气相沉积的分类 • 四.化学气相沉积的基本工艺流程 • 五.化学气相沉积的工艺方法
2020/10/13
2
ห้องสมุดไป่ตู้ 化学气相沉积的概念:
化学气相沉积（英文：Chemical Vapor Deposition，简称 CVD）是通过气相物质的化学反应的基材表面上沉积固态薄 膜的一种工艺方法。是一种用来产生纯度高、性能好的固 态材料的化学技术。各种化学反应，如分解、化合、还原、 置换等都可以用来沉积于基片的固体薄膜，而反应多余物 （气体）可以从反应室排出。
1.气溶胶辅助气相沉积 (AACVD)：使用液体/气体的气溶胶的 前驱物成长在基底上，成长速非常快。此种技术适合使用 非挥发的前驱物。
2.直接液体注入化学气相沉积 (DLICVD)：使用液体 (液体或固 体溶解在合适的溶液中) 形式的前驱物。
等离子技术分类
20203/1.0/微13 波等离子辅助化学气相沉积, (MPCVD)
6
4.等离子增强化学气相沉积 (PlECVD)：利用等离 子增加前驱物的反应速率。PECVD技术允在低 温的环境下成长，这是半导体制造中广泛使用 PECVD的最重要原因。
CVD法是一种化学反应法，应用非常广泛，可制备多种物 质的薄膜，如单晶、多晶或非晶态无机薄膜，金刚石薄膜， 高Tc超导薄膜、透明导电薄膜以及某些敏感功能的薄膜。
2020/10/13
3
化学气相沉积薄膜的特点：
• 由于CVD法是利用各种气体反应来组成薄膜，所以可 以任意控制薄膜的组成，从而制得许多新的膜材。
化学气相沉积法
2020/10/13
姓名：尤凤霞 08材成
1
• 一.化学气相沉积的概念 • 二.化学气相沉积薄模的特点 • 三.化学气相沉积的分类 • 四.化学气相沉积的基本工艺流程 • 五.化学气相沉积的工艺方法
2020/10/13
2
ห้องสมุดไป่ตู้ 化学气相沉积的概念:
化学气相沉积（英文：Chemical Vapor Deposition，简称 CVD）是通过气相物质的化学反应的基材表面上沉积固态薄 膜的一种工艺方法。是一种用来产生纯度高、性能好的固 态材料的化学技术。各种化学反应，如分解、化合、还原、 置换等都可以用来沉积于基片的固体薄膜，而反应多余物 （气体）可以从反应室排出。
1.气溶胶辅助气相沉积 (AACVD)：使用液体/气体的气溶胶的 前驱物成长在基底上，成长速非常快。此种技术适合使用 非挥发的前驱物。
2.直接液体注入化学气相沉积 (DLICVD)：使用液体 (液体或固 体溶解在合适的溶液中) 形式的前驱物。
等离子技术分类
20203/1.0/微13 波等离子辅助化学气相沉积, (MPCVD)
6
4.等离子增强化学气相沉积 (PlECVD)：利用等离 子增加前驱物的反应速率。PECVD技术允在低 温的环境下成长，这是半导体制造中广泛使用 PECVD的最重要原因。
化学气相沉积CVD
离解和离化，从而大大提高了参与反应的物质活性；
这些具有高反应活性的物质很容易被吸附到较低温度的基
体表面上，于是，在较低的温度下发生非平衡的化学反应
沉积生成薄膜，这就大大降低了基体的温度，提高了沉积
速率。
16
3. PECVD装置
普通CVD+高频电源（用于产生等离子体）
用高频产生辉光放电等离子体的卧式反应
主要由反应器（室）、供气系统和加热系统等组成
图8.3.1
Si片PN结构微细加工的CVD装置意示图
6
反应器的类型：
图8.3.2 CVD反应器的类型
7
沉积过程：
① 在主气流区域，反应物从反应器入口到分解区域的质
量输运；
② 气相反应产生膜形成的前驱体和副产物；
③ 成膜前驱体质量输运至生长表面；
④ 成膜前驱体吸附在生长表面；
可有效解决普通CVD基体温度高，沉积速率慢的不足。
1.等离子体
（1）物质的第四态
给物质以能量，即T↗：
固 液 气 电离，离子+自
由电子，等离子体，第四态。
（2）产生
自然界：大气电离层,高温太阳
实验室：气体放电，供给能量,维持；
图8.3.3 物质的四态
15
（3）性质及应用
气体高度电离的状态；
下进行沉积的某些场合，如沉积平面
硅和MOS集成电路的纯化膜。
（2）按照沉积时系统压强的大小分类：
常压CVD（NPCVD），～1atm；
低压CVD（LPCVD），10～100Pa；
LPCVD具有沉积膜均匀性好、台阶覆盖及一致性较好、
针孔较小、膜结构完整性优良、反应气体的利用率高等优
点，不仅用于制备硅外延层，还广泛用于制备各种无定形
这些具有高反应活性的物质很容易被吸附到较低温度的基
体表面上，于是，在较低的温度下发生非平衡的化学反应
沉积生成薄膜，这就大大降低了基体的温度，提高了沉积
速率。
16
3. PECVD装置
普通CVD+高频电源（用于产生等离子体）
用高频产生辉光放电等离子体的卧式反应
主要由反应器（室）、供气系统和加热系统等组成
图8.3.1
Si片PN结构微细加工的CVD装置意示图
6
反应器的类型：
图8.3.2 CVD反应器的类型
7
沉积过程：
① 在主气流区域，反应物从反应器入口到分解区域的质
量输运；
② 气相反应产生膜形成的前驱体和副产物；
③ 成膜前驱体质量输运至生长表面；
④ 成膜前驱体吸附在生长表面；
可有效解决普通CVD基体温度高，沉积速率慢的不足。
1.等离子体
（1）物质的第四态
给物质以能量，即T↗：
固 液 气 电离，离子+自
由电子，等离子体，第四态。
（2）产生
自然界：大气电离层,高温太阳
实验室：气体放电，供给能量,维持；
图8.3.3 物质的四态
15
（3）性质及应用
气体高度电离的状态；
下进行沉积的某些场合，如沉积平面
硅和MOS集成电路的纯化膜。
（2）按照沉积时系统压强的大小分类：
常压CVD（NPCVD），～1atm；
低压CVD（LPCVD），10～100Pa；
LPCVD具有沉积膜均匀性好、台阶覆盖及一致性较好、
针孔较小、膜结构完整性优良、反应气体的利用率高等优
点，不仅用于制备硅外延层，还广泛用于制备各种无定形
化学气相沉积法
化学气相沉淀法摘要：化学气相沉积Chemical vapor deposition,简称CVD；是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。
CVD技术可以生长高质量的单晶薄膜，能够获得所需的掺杂类型和厚度，易于实现大批量生产，因而在工业上得到广泛的应用。
工业上利用CVD制备的外延片常有一个或多个埋层可用扩散或离子注入的方式控制器件结构和掺杂分布;外延层的氧和碳含量一般很低。
但是CVD外延层容易形成自掺杂，要用一定措施来降低自掺杂。
CVD生长机理很复杂，反应中生成多种成分，也会产生一些中间成分，影响因素有很多，如:先躯体种类:工艺方法Levi,Devi,Pend;反应条件温度，压力，流量;触媒种类:气体浓度;衬基结构;温度梯度;炉内真空度等外延工艺有很多前后相继，彼此连贯的步骤。
关键词：化学气相沉淀积，薄膜，应用，工艺正文：原理：将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--种新的材料，沉积到基体表面上。
反应物多为金属氯化物，先被加热到一定温度，达到足够高的蒸汽压，用载气一般为Ar或H2送入反应器。
如果某种金属不能形成高压氯化物蒸汽，就代之以有机金属化合物。
在反应器内，被涂材料或用金属丝悬挂，或放在平面上，或沉没在粉末的流化床中，或本身就是流化床中的颗粒。
化学反应器中发生，产物就会沉积到被涂物表面，废气多为HC1或HF被导向碱性吸收或冷阱。
除了需要得到的固态沉积物外，化学反应的生成物都必须是气态沉积物本身的饱和蒸气压应足够低，以保证它在整个反应、沉积过程中都一直保持在加热的衬底上。
反应过程:1反应气体向衬底表面扩散2反应气体被吸附于衬底表面3在表面进行化学反应、表面移动、成核及膜生长4生成物从表面解吸5生成物在表面扩散。
所选择的化学反应通常应该满足:①反应物质在室温或不太高的温度下最好是气态，或有很高的蒸气压，且有很高的纯度:②通过沉积反应能够形成所需要的材料沉积层:③反应易于控制在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸气压。
本科表面工程第5章 气相沉积技术
2. 真空度 ①高真空→高纯薄膜；原子碰撞几率↓，能耗↓ →结合力↑ ②低真空→因碰撞原子能量低，易 形成低能原子团→薄膜组织粗大， 致密度↓，表面粗糙度↑
3. 蒸发源与基体表面的距离 近水楼台先得月 均镀能力不强→通过工件旋转弥补
四、蒸镀设备简介
1. 电阻加热法 原理：
电阻丝直接加热镀膜材料 （或蒸发器皿加热、或通过 坩埚加热镀膜材料）→蒸发 →沉积。 优点：设备简单 缺点： ① 坩埚污染或灯丝污染 ② 蒸发温度小于1500C，不 能用于高熔点成膜材料。 ③ 加热蒸发速度慢
⑵ 离化：
镀膜材料被加热蒸发，反应气 体（N）和蒸发粒子在等离子体 中部分离化（10-20%）。 ⑶ 沉积
在蒸发沉积的基础上，在工件 上加负偏压，吸引高能离子轰击 并沉积成膜。
⑷ 特点：
结合力高
沉积速率不太高→因离化率只 有10-20%。
2. 多弧离子镀
⑴ 蒸发离化 a 引弧→一触即离 b 弧光斑点高速游动在靶面 c 斑点在靶面上形成瞬间微熔池 d 因温度极高，熔料瞬间喷发并 大部离化，形成等离子体。 e 工作气体（N）亦被离化。
团(cluster)。 ③当原子数超过某一临界
值时就变为稳定核。 2. 长大
①稳定核通过捕获入射原 子的直接碰撞而长大。
⑤继续生长，和临近的稳 定核合并，进而变成连续膜。
三、影响蒸镀薄膜质量的因素
1. 基体表面状态 ① 表面清洁度→不洁表面会使膜基结合力↓ ② 基体温度 →T↑,有利于膜基结合力↓ ↘ ↘T↓，有利于膜的凝聚成核 → 矛盾 ③ 晶体结构 →膜基晶体结构相近，有利于薄膜的形核长大。
二、CVD的主要工艺参数
1. 温度：T↑，反应速度↑ ↘ 2. 压力：P ↑, 反应速度↑ →需高温、高压→最大问题 3. 反应物配比：如Ti、N，Si、O要匹配 三、CVD设备（以镀TiN涂层为例）
3. 蒸发源与基体表面的距离 近水楼台先得月 均镀能力不强→通过工件旋转弥补
四、蒸镀设备简介
1. 电阻加热法 原理：
电阻丝直接加热镀膜材料 （或蒸发器皿加热、或通过 坩埚加热镀膜材料）→蒸发 →沉积。 优点：设备简单 缺点： ① 坩埚污染或灯丝污染 ② 蒸发温度小于1500C，不 能用于高熔点成膜材料。 ③ 加热蒸发速度慢
⑵ 离化：
镀膜材料被加热蒸发，反应气 体（N）和蒸发粒子在等离子体 中部分离化（10-20%）。 ⑶ 沉积
在蒸发沉积的基础上，在工件 上加负偏压，吸引高能离子轰击 并沉积成膜。
⑷ 特点：
结合力高
沉积速率不太高→因离化率只 有10-20%。
2. 多弧离子镀
⑴ 蒸发离化 a 引弧→一触即离 b 弧光斑点高速游动在靶面 c 斑点在靶面上形成瞬间微熔池 d 因温度极高，熔料瞬间喷发并 大部离化，形成等离子体。 e 工作气体（N）亦被离化。
团(cluster)。 ③当原子数超过某一临界
值时就变为稳定核。 2. 长大
①稳定核通过捕获入射原 子的直接碰撞而长大。
⑤继续生长，和临近的稳 定核合并，进而变成连续膜。
三、影响蒸镀薄膜质量的因素
1. 基体表面状态 ① 表面清洁度→不洁表面会使膜基结合力↓ ② 基体温度 →T↑,有利于膜基结合力↓ ↘ ↘T↓，有利于膜的凝聚成核 → 矛盾 ③ 晶体结构 →膜基晶体结构相近，有利于薄膜的形核长大。
二、CVD的主要工艺参数
1. 温度：T↑，反应速度↑ ↘ 2. 压力：P ↑, 反应速度↑ →需高温、高压→最大问题 3. 反应物配比：如Ti、N，Si、O要匹配 三、CVD设备（以镀TiN涂层为例）
05薄膜科学与技术-CVD化学镀膜
（5）反应温度随气体压强的降低而降低。
化学气相沉积——LPCVD
LPCVD在微电子技术中的应用
广泛用于沉积单晶硅和多晶硅薄膜，掺杂或不掺杂 的氧化硅、氮化硅、硅化物等薄膜， Ⅲ - Ⅴ族化合物薄 膜，以及钨、钼、钽、钛等难熔金属薄膜。
化学气相沉积——等离子化学气相沉积
★ 等离子化学气相沉积
在普通 CVD 技术中，产生沉积反应所需要的能量是 各种方式加热衬底和反应气体，因此，薄膜沉积温度一般 较高（900～1000 摄氏度）。
化学气相沉积——基本原理
T1 T2
Ge(s) + I2 (g) Zr(s) + I2 (g)
GeI 2 ( g ) ZrI2 ( g )
1 ZnI2 ( g ) + S2 ( g ) 2
T1 T2
ZnS(s) + I2 (g)
T1 T2
化学气相沉积——特点
★ 化学气相沉积的特点
优点
即可制作金属薄膜，非金属薄膜，又可制作多组分合金薄膜， 可大范围控制薄膜的组分、掺杂，制备混晶和复杂晶体；
运过程、薄膜成核与生长、反应器工程等学科领域。
化学气相沉积——基本原理
最常见的几种CVD反应类型有：热分解反应、化学合 成反应、化学输运反应等。分别介绍如下。 热分解反应（吸热反应） 通式：
Q AB( g ) A(s) B( g )
主要问题是源物质的选择（固相产物与薄膜材料相同） 和确定分解温度。
A(s) + xB(g)
化学平衡常数：
(1)源区 (2)沉积区
ABX ( g )
KP =
PABx (PB )X
化学气相沉积——基本原理
化学输运反应条件： T = T1 T2 不能太大； 平衡常数KP接近于1。 化学输运反应判据：