CVD
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CVD基本原理包括：反应化学、热力学、动力学、输运过 程、薄膜成核与生长、反应器工程等学科领域。
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5.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：
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。 （1）氢化物
• 将反应物气体分子激活成活性离子，降低反应温度； • 加速反应物在表面的扩散作用，提高成膜速率； • 对基片和薄膜具有溅射清洗作用，溅射掉结合不牢的粒子 ，提高了薄膜和基片的附着力； • 由于原子、分子、离子和电子相互碰撞，使形成薄膜的厚 度均匀。
— 22 —
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3.等离子体化学气相沉积（PCVD) Advantages
— 23 —
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4.金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD)
The MOCVD growth system
— 24 —
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4.金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD)
• MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的 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-Ⅵ族化合物半导体 以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
— 28 —
28 of 38
四 CVD技术的应用
Hardest mat.Damaged the hardness sensor
2.5mm high, grown in 1day single-crystal diamond grown by CVD
C.S. Yan et al., Physica Status Solidi (a) 201,R25 (2004)].
设源为A，输运剂为B，输运反应通式为：
(1)( 2 ) A XB ABX
（1）源区 （2）沉积区
(T1 )( T2 ) Ge(s) I 2 ( g ) GeI 2
(T1 )( T2 ) Zr ( s) I 2 ( g ) ZrI 2
(T1 )( T2 ) ZnS ( s) I 2 ( g ) ZnI 2
H-H键能小，热分解温度低，产物无腐蚀性
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（2）金属有机化合物
M-C键能小于C-C键，广泛用于沉积金属和氧化物薄膜。 金属有机化合物的分解温度非常低，扩大了基片选择范围以及避免了 基片变形问题。 （3）氢化物和金属有机化合物系统 广泛用于制备化合 物半导体薄膜。 （4）其它气态络合物、复合物
LPCVD在微电子学中的应用
广泛用于沉积掺杂或不掺杂的氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化物等薄 膜，以及钨、钼、钽、钛等难熔金属薄膜。
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3.等离子体化学气相沉积(PCVD)
LPCVD中利用辉光放电等离子体影响生长薄膜
压强：5～500Pa
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3.等离子体化学气相沉积(PCVD)
— 29 —
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四 CVD技术的应用
CVD法制备的刀具、刃具涂层
— 30 —
CVD法制备的粉红色金刚石涂层
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01 简单动画的个性设置
02 单个对象的组合设计
ห้องสมุดไป่ตู้
谢谢收看！
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03 多个对象的组合设计
04 典型动画的应用举例
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3.等离子体化学气相沉积（PCVD)
按照加给反应室电力的方式，可以分为以下几类： • 直流等离子体等离子体化学气相沉积（DCPCVC）
• 射频等离子体化学气相沉积（RFPCVC）
• 微波等离子体化学气相沉积（MWPCVC）
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等离子体在CVD中的作用
• 低温成膜（300-350℃），对基片影响小，避免了高温带来的膜层 晶粒粗大及膜层和基片间形成脆性相； • 低压下形成薄膜，膜厚及成分较均匀、针孔少、膜层致密、内应力 小，不易产生裂纹； • 扩大了CVD应用范围，特别是在不同基片上制备金属薄膜、非晶态 无机薄膜、有机聚合物薄膜等； • 薄膜的附着力大于普通CVD。
三 化学气相沉积技术的分类和简介 TCVD LPCVD CVD MOCVD
LCVD PCVD
— 15 —
DCPCVD MWPCVD
RFPCVD
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1.热化学气相沉积(TCVD)
• 利用高温激活化学反应进行气相生长的方法 • 按化学反应形式分为三类：化学运输法（chemical transport），热解法（pyrolysis),合成反应法 （synthesis）。
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Disadvantages
— 26 —
5.激光（诱导）化学气相沉积（LCVD)
• 在化学气相沉积过程中利用激光束的光子能量激发和促进 化学反应的薄膜沉积方法
• 与CVD相比，LCVD可以大大降低基材的温度，防止基材中杂 质分布受到破坏，可在不能承受高温的基材上合成薄膜 • 与PCVD相比，LCVD可以避免高能粒子辐照在薄膜中造成的 损伤
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。 如果能在反应室内形成低温等离子体（如辉光放电），则 可以利用在等离子状态下粒子具有的较高能量，使沉积温 度降低。
这种等离子体参与的化学气相沉积称为等离子化学气相沉 积。用来制备化合物薄膜、非晶薄膜、外延薄膜、超导薄 膜等，特别是IC技术中的表面钝化和多层布线。
• 应用于半导体和其他材料
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2.低压化学气相沉积(LPCVD)
• LPCVD原理
Mean free path : λ=kT/(√2πPd2)
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• LPCVD优点
（1）低气压下气态分子的平均自由程增大，反应装置内可以快速达 到浓度均一，消除了由气相浓度梯度带来的薄膜不均匀性。 （2）薄膜质量高：薄膜台阶覆盖良好；结构完整性好；针孔较少。 （3）沉积过程主要由表面反应速率控制，对温度变化极为敏感，所以， LPCVD技术主要控制温度变量。 （4）卧式LPCVD装片密度高，生产成本低。
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— 13 —
Disadvantages • 沉积的反应源和反应后的气体易燃、易爆或有毒，参与需 环保措施，有时还有防腐蚀要求； • 反应温度还是太高，尽管低于物质的熔点；工件温度高于 PVD技术，应用中受到一定限制；
• 对基片进行局部表面镀膜时很困难，不如PVD方便。
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羰基化合物： 单氨络合物：
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— 9—
•
化学合成反应 化学合成反应是指两种或两种以上的气态反应物在热基片 上发生的相互反应。 (1)最常用的是氢气还原卤化物来制备各种金属或半导体薄膜； (2) 选用合适的氢化物、卤化物或金属有机化合物来制备各 种介质薄膜。
化学合成反应法比热分解法的应用范围 更加广泛。可以制备单晶、多晶和非晶薄 膜。容易进行掺杂。
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4.CVD法制备薄膜过程描述
表 面 脱 附
薄 膜 成 核 生 长
气 体 输 入
气 体 对 流
气 相 扩 散
表 面 吸 附
表 面 反 应
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4.CVD法制备薄膜过程描述
（1）反应气体向基片表面扩散； （2）反应气体吸附于基片表面； （3）在基片表面发生化学反应； （4）在基片表面产生的气相副产物脱离表面，向空间扩散或 被抽气系统抽走； （5）基片表面留下不挥发的固相反应产物——薄膜。
• CVD反应是指反应物为气体而生成物之一为固体的化学反应。
• CVD完全不同于物理气相沉积（PVD）
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2.CVD和PVD
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3.CVD
• CVD法实际上很早就有应用，用于材料精制、装饰涂层、耐氧化涂层、 耐腐蚀涂层等。 • 在电子学方面PVD法用于制作半导体电极等。 • CVD法一开始用于硅、锗精制上，随后用于适合外延生长法制作的材 料上。 • 表面保护膜一开始只限于氧化膜、氮化膜等，之后添加了由Ⅲ、Ⅴ 族元素构成的新的氧化膜，最近还开发了金属膜、硅化物膜等。 • 以上这些薄膜的CVD制备法为人们所注意。CVD法制备的多晶硅膜在 器件上得到广泛应用，这是CVD法最有效的应用场所。
Chemical Vapor Deposition
化学气相沉积
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化学气相沉积工艺（CVD）
• 化学气相沉积的基本原理 • 化学气相沉积的特点 • 化学气相沉积技术的分类和简介 • CVD技术的应用
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一 化学气相沉积的基本原理 1.化学气相沉积的定义
• 化学气相沉积是利用气态物质通过化学反应在基片表面形 成固态薄膜的一种成膜技术。
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1 S2 2
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二、化学气相沉积的特点
Advantages • • • • • • • 即可制作金属薄膜，又可制作多组分合金薄膜； 成膜速率高于LPE（液相外延）和MBE(分子束外延）； CVD反应可在常压或低真空进行，绕射性能好； 薄膜纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好； 薄膜生长温度低于材料的熔点； 薄膜表面平滑； 辐射损伤小。
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四 CVD技术的应用
• 化学气相沉积作为一种非常有效的材料表面改性方法，在很多领域 得到应用，它提高了材料的使用寿命，节省了大量的材料，为社会 带来了显著的经济效益。 • 随着化学气相沉积技术的发展，化学气相沉积的应用领域越来越广 阔，除了在材料的表面改性方面、新材料制备方面以外，在半导体 工业、光学工业、声学工业等领域，化学气相沉积也将大有作为， 发挥更大的作用。尤其是其在大规模及超大规模集成电路中的应用 越来越受到青睐。 • 在制备粉体材料方面，利用高效稳定的催化剂促进CVD制粉过程， 或与物理方法结合，在低温、高真空条件下制备粉体材料也成为未 来化学气相沉积技术发展的方向
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• 化学合成反应
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• 化学输运反应
将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助适当的气体介 质与之反应而形成气态化合物，这种气态化合物经过化学迁移或 物理输运到与源区温度不同的沉积区，在基片上再通过逆反应使 源物质重新分解出来，这种反应过程称为化学输运反应。
— 25 —
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4.金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD)
Advantages
• 沉积温度低; • 能沉积单晶，多晶，非晶的多沉和超薄层，原子层薄膜 • 可以大规模低成本制备复杂组分的薄膜和化合物半导体材 料 • 可以在不同基材表面沉积 • 沉积速度慢，仅适宜于沉积微米级的表面沉 • 原料毒性大，设备的密封性，可靠性要好，并谨慎管 理和操作
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5.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：
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。 （1）氢化物
• 将反应物气体分子激活成活性离子，降低反应温度； • 加速反应物在表面的扩散作用，提高成膜速率； • 对基片和薄膜具有溅射清洗作用，溅射掉结合不牢的粒子 ，提高了薄膜和基片的附着力； • 由于原子、分子、离子和电子相互碰撞，使形成薄膜的厚 度均匀。
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3.等离子体化学气相沉积（PCVD) Advantages
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4.金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD)
The MOCVD growth system
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4.金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD)
• MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的 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-Ⅵ族化合物半导体 以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
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四 CVD技术的应用
Hardest mat.Damaged the hardness sensor
2.5mm high, grown in 1day single-crystal diamond grown by CVD
C.S. Yan et al., Physica Status Solidi (a) 201,R25 (2004)].
设源为A，输运剂为B，输运反应通式为：
(1)( 2 ) A XB ABX
（1）源区 （2）沉积区
(T1 )( T2 ) Ge(s) I 2 ( g ) GeI 2
(T1 )( T2 ) Zr ( s) I 2 ( g ) ZrI 2
(T1 )( T2 ) ZnS ( s) I 2 ( g ) ZnI 2
H-H键能小，热分解温度低，产物无腐蚀性
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（2）金属有机化合物
M-C键能小于C-C键，广泛用于沉积金属和氧化物薄膜。 金属有机化合物的分解温度非常低，扩大了基片选择范围以及避免了 基片变形问题。 （3）氢化物和金属有机化合物系统 广泛用于制备化合 物半导体薄膜。 （4）其它气态络合物、复合物
LPCVD在微电子学中的应用
广泛用于沉积掺杂或不掺杂的氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化物等薄 膜，以及钨、钼、钽、钛等难熔金属薄膜。
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3.等离子体化学气相沉积(PCVD)
LPCVD中利用辉光放电等离子体影响生长薄膜
压强：5～500Pa
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3.等离子体化学气相沉积(PCVD)
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四 CVD技术的应用
CVD法制备的刀具、刃具涂层
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CVD法制备的粉红色金刚石涂层
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01 简单动画的个性设置
02 单个对象的组合设计
ห้องสมุดไป่ตู้
谢谢收看！
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03 多个对象的组合设计
04 典型动画的应用举例
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3.等离子体化学气相沉积（PCVD)
按照加给反应室电力的方式，可以分为以下几类： • 直流等离子体等离子体化学气相沉积（DCPCVC）
• 射频等离子体化学气相沉积（RFPCVC）
• 微波等离子体化学气相沉积（MWPCVC）
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等离子体在CVD中的作用
• 低温成膜（300-350℃），对基片影响小，避免了高温带来的膜层 晶粒粗大及膜层和基片间形成脆性相； • 低压下形成薄膜，膜厚及成分较均匀、针孔少、膜层致密、内应力 小，不易产生裂纹； • 扩大了CVD应用范围，特别是在不同基片上制备金属薄膜、非晶态 无机薄膜、有机聚合物薄膜等； • 薄膜的附着力大于普通CVD。
三 化学气相沉积技术的分类和简介 TCVD LPCVD CVD MOCVD
LCVD PCVD
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DCPCVD MWPCVD
RFPCVD
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1.热化学气相沉积(TCVD)
• 利用高温激活化学反应进行气相生长的方法 • 按化学反应形式分为三类：化学运输法（chemical transport），热解法（pyrolysis),合成反应法 （synthesis）。
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Disadvantages
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5.激光（诱导）化学气相沉积（LCVD)
• 在化学气相沉积过程中利用激光束的光子能量激发和促进 化学反应的薄膜沉积方法
• 与CVD相比，LCVD可以大大降低基材的温度，防止基材中杂 质分布受到破坏，可在不能承受高温的基材上合成薄膜 • 与PCVD相比，LCVD可以避免高能粒子辐照在薄膜中造成的 损伤
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。 如果能在反应室内形成低温等离子体（如辉光放电），则 可以利用在等离子状态下粒子具有的较高能量，使沉积温 度降低。
这种等离子体参与的化学气相沉积称为等离子化学气相沉 积。用来制备化合物薄膜、非晶薄膜、外延薄膜、超导薄 膜等，特别是IC技术中的表面钝化和多层布线。
• 应用于半导体和其他材料
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2.低压化学气相沉积(LPCVD)
• LPCVD原理
Mean free path : λ=kT/(√2πPd2)
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• LPCVD优点
（1）低气压下气态分子的平均自由程增大，反应装置内可以快速达 到浓度均一，消除了由气相浓度梯度带来的薄膜不均匀性。 （2）薄膜质量高：薄膜台阶覆盖良好；结构完整性好；针孔较少。 （3）沉积过程主要由表面反应速率控制，对温度变化极为敏感，所以， LPCVD技术主要控制温度变量。 （4）卧式LPCVD装片密度高，生产成本低。
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— 13 —
Disadvantages • 沉积的反应源和反应后的气体易燃、易爆或有毒，参与需 环保措施，有时还有防腐蚀要求； • 反应温度还是太高，尽管低于物质的熔点；工件温度高于 PVD技术，应用中受到一定限制；
• 对基片进行局部表面镀膜时很困难，不如PVD方便。
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羰基化合物： 单氨络合物：
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化学合成反应 化学合成反应是指两种或两种以上的气态反应物在热基片 上发生的相互反应。 (1)最常用的是氢气还原卤化物来制备各种金属或半导体薄膜； (2) 选用合适的氢化物、卤化物或金属有机化合物来制备各 种介质薄膜。
化学合成反应法比热分解法的应用范围 更加广泛。可以制备单晶、多晶和非晶薄 膜。容易进行掺杂。
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4.CVD法制备薄膜过程描述
表 面 脱 附
薄 膜 成 核 生 长
气 体 输 入
气 体 对 流
气 相 扩 散
表 面 吸 附
表 面 反 应
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4.CVD法制备薄膜过程描述
（1）反应气体向基片表面扩散； （2）反应气体吸附于基片表面； （3）在基片表面发生化学反应； （4）在基片表面产生的气相副产物脱离表面，向空间扩散或 被抽气系统抽走； （5）基片表面留下不挥发的固相反应产物——薄膜。
• CVD反应是指反应物为气体而生成物之一为固体的化学反应。
• CVD完全不同于物理气相沉积（PVD）
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2.CVD和PVD
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3.CVD
• CVD法实际上很早就有应用，用于材料精制、装饰涂层、耐氧化涂层、 耐腐蚀涂层等。 • 在电子学方面PVD法用于制作半导体电极等。 • CVD法一开始用于硅、锗精制上，随后用于适合外延生长法制作的材 料上。 • 表面保护膜一开始只限于氧化膜、氮化膜等，之后添加了由Ⅲ、Ⅴ 族元素构成的新的氧化膜，最近还开发了金属膜、硅化物膜等。 • 以上这些薄膜的CVD制备法为人们所注意。CVD法制备的多晶硅膜在 器件上得到广泛应用，这是CVD法最有效的应用场所。
Chemical Vapor Deposition
化学气相沉积
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化学气相沉积工艺（CVD）
• 化学气相沉积的基本原理 • 化学气相沉积的特点 • 化学气相沉积技术的分类和简介 • CVD技术的应用
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一 化学气相沉积的基本原理 1.化学气相沉积的定义
• 化学气相沉积是利用气态物质通过化学反应在基片表面形 成固态薄膜的一种成膜技术。
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二、化学气相沉积的特点
Advantages • • • • • • • 即可制作金属薄膜，又可制作多组分合金薄膜； 成膜速率高于LPE（液相外延）和MBE(分子束外延）； CVD反应可在常压或低真空进行，绕射性能好； 薄膜纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好； 薄膜生长温度低于材料的熔点； 薄膜表面平滑； 辐射损伤小。
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四 CVD技术的应用
• 化学气相沉积作为一种非常有效的材料表面改性方法，在很多领域 得到应用，它提高了材料的使用寿命，节省了大量的材料，为社会 带来了显著的经济效益。 • 随着化学气相沉积技术的发展，化学气相沉积的应用领域越来越广 阔，除了在材料的表面改性方面、新材料制备方面以外，在半导体 工业、光学工业、声学工业等领域，化学气相沉积也将大有作为， 发挥更大的作用。尤其是其在大规模及超大规模集成电路中的应用 越来越受到青睐。 • 在制备粉体材料方面，利用高效稳定的催化剂促进CVD制粉过程， 或与物理方法结合，在低温、高真空条件下制备粉体材料也成为未 来化学气相沉积技术发展的方向
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• 化学合成反应
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• 化学输运反应
将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助适当的气体介 质与之反应而形成气态化合物，这种气态化合物经过化学迁移或 物理输运到与源区温度不同的沉积区，在基片上再通过逆反应使 源物质重新分解出来，这种反应过程称为化学输运反应。
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4.金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD)
Advantages
• 沉积温度低; • 能沉积单晶，多晶，非晶的多沉和超薄层，原子层薄膜 • 可以大规模低成本制备复杂组分的薄膜和化合物半导体材 料 • 可以在不同基材表面沉积 • 沉积速度慢，仅适宜于沉积微米级的表面沉 • 原料毒性大，设备的密封性，可靠性要好，并谨慎管 理和操作