第2-1章 薄膜的化学气相沉积
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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。
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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
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• 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
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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。
化学气相沉积法ppt课件
MOCVD是常规CVD技术的发展，它用容易分 解的金属有机化合物作初始反应物，因此沉积 温度较低。
优点：可以在热敏感的基体上进行沉积；
缺点：沉积速率低，晶体缺陷密度高，膜中杂质 多。
原料输送要求：把欲沉积膜层的一种或几种组分 以金属烷基化合物的形式输送到反应区，其他 的组分可以氢化物的形式输送。
精选ppt
(A)CVD的原理
CVD的机理是复杂的，那是由于反应气体中不同 化学物质之间的化学反应和向基片的析出是同 时发生的缘故。
基本过程：通过赋予原料气体以不同的能量使其 产生各种化学反应，在基片上析出非挥发性的 反应产物。
图3.14表示从TiCl4+CH4+H2的混合气体析出 TiC过程的模式图。如图所示，在CVD中的析出 过程可以理解如下：
精选ppt
7
⑥绕镀性好：可在复杂形状的基体上及颗粒材 料上沉积。
⑦气流条件：层流，在基体表面形成厚的边界 层。
⑧沉积层结构：柱状晶，不耐弯曲。通过各种 技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶 粒的等轴沉积层。
⑨应用广泛:可以形成多种金属、合金、陶瓷和 化合物沉积层
精选ppt
8
（2）CVD的方法
LCVD技术的优点：沉积过程中不直接加热整块 基板，可按需要进行沉积，空间选择性好，甚 至可使薄膜生成限制在基板的任意微区内；避 免杂质的迁移和来自基板的自掺杂；沉积速度
比2
(D)超声波化学气相沉积(UWCVD)
定义：是利用超声波作为CVD过程中能源的一种 新工艺。
①常压CVD法； ②低压CVD法； ③热CVD法； ④等离子CVD法； ⑤间隙CVD法； ⑥激光CVD法； ⑦超声CVD法等。
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(C)CVD的流程与装置
优点：可以在热敏感的基体上进行沉积；
缺点：沉积速率低，晶体缺陷密度高，膜中杂质 多。
原料输送要求：把欲沉积膜层的一种或几种组分 以金属烷基化合物的形式输送到反应区，其他 的组分可以氢化物的形式输送。
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(A)CVD的原理
CVD的机理是复杂的，那是由于反应气体中不同 化学物质之间的化学反应和向基片的析出是同 时发生的缘故。
基本过程：通过赋予原料气体以不同的能量使其 产生各种化学反应，在基片上析出非挥发性的 反应产物。
图3.14表示从TiCl4+CH4+H2的混合气体析出 TiC过程的模式图。如图所示，在CVD中的析出 过程可以理解如下：
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⑥绕镀性好：可在复杂形状的基体上及颗粒材 料上沉积。
⑦气流条件：层流，在基体表面形成厚的边界 层。
⑧沉积层结构：柱状晶，不耐弯曲。通过各种 技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶 粒的等轴沉积层。
⑨应用广泛:可以形成多种金属、合金、陶瓷和 化合物沉积层
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（2）CVD的方法
LCVD技术的优点：沉积过程中不直接加热整块 基板，可按需要进行沉积，空间选择性好，甚 至可使薄膜生成限制在基板的任意微区内；避 免杂质的迁移和来自基板的自掺杂；沉积速度
比2
(D)超声波化学气相沉积(UWCVD)
定义：是利用超声波作为CVD过程中能源的一种 新工艺。
①常压CVD法； ②低压CVD法； ③热CVD法； ④等离子CVD法； ⑤间隙CVD法； ⑥激光CVD法； ⑦超声CVD法等。
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(C)CVD的流程与装置
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
当环境中元素分压降低到平衡蒸气压之下时， 就发生元素的净蒸发。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
8
薄膜沉积速率正比于气体分子的通量。
单位表面上元素的净蒸发速率
ΦαN2（ AπpMe Rph） T
α — 系数，介于0~1之间；
m n M N
A
pe、ph — 平衡蒸气压和实际情况下的分压。 单位表面上元素的质量蒸发速率
组元蒸气压相近时，可估算合金蒸发源的成分。 例如，1350K，薄膜成分：Al-2％Cu (质量分数)，
需蒸发源成分：A1-13.6％Cu (质量分数)。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
20
对于初始成分确定的蒸发源，组元蒸发速率 之比随时间而变化。 原因：易于蒸发的组元的优先蒸发使该组元不 断贫化，进而使该组元蒸发速率不断下降。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
5
组成部分： 真空室； 蒸发源及蒸发加热装置； 衬底放置及加热装置。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
6
真空蒸发镀膜机
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
7
2.1.1 元素的蒸发速率
平衡蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平 衡过程中所呈现的压力。
第二章 薄膜的物理气相沉积（I） —— 蒸发法
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD） 物理过程，如物质的热蒸发或在 受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现 象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移 过程。
薄膜的物理气相沉积薄膜的物理气相沉积ⅠFra bibliotek—热蒸发1
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
8
薄膜沉积速率正比于气体分子的通量。
单位表面上元素的净蒸发速率
ΦαN2（ AπpMe Rph） T
α — 系数，介于0~1之间；
m n M N
A
pe、ph — 平衡蒸气压和实际情况下的分压。 单位表面上元素的质量蒸发速率
组元蒸气压相近时，可估算合金蒸发源的成分。 例如，1350K，薄膜成分：Al-2％Cu (质量分数)，
需蒸发源成分：A1-13.6％Cu (质量分数)。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
20
对于初始成分确定的蒸发源，组元蒸发速率 之比随时间而变化。 原因：易于蒸发的组元的优先蒸发使该组元不 断贫化，进而使该组元蒸发速率不断下降。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
5
组成部分： 真空室； 蒸发源及蒸发加热装置； 衬底放置及加热装置。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
6
真空蒸发镀膜机
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
7
2.1.1 元素的蒸发速率
平衡蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平 衡过程中所呈现的压力。
第二章 薄膜的物理气相沉积（I） —— 蒸发法
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD） 物理过程，如物质的热蒸发或在 受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现 象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移 过程。
薄膜的物理气相沉积薄膜的物理气相沉积ⅠFra bibliotek—热蒸发1
化学气相沉积CVD
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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！
18
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 ↑
2
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。
12
2024/10/15
13
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；
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 ↑
2
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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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；
材料科学中的薄膜制备技术研究综述
材料科学中的薄膜制备技术研究综述薄膜作为一种重要的材料形态，在材料科学领域中具有广泛的应用。
薄膜制备技术的研究和发展，不仅能够扩展材料的功能性，并提高材料的性能，还可以为各个领域提供更多的应用可能性。
本文将综述材料科学中薄膜制备技术的研究进展，并重点探讨了几种常见的薄膜制备技术。
1. 物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是一种常见的薄膜制备技术，它通过蒸发或溅射等方法将材料转化为蒸汽或离子，经过气相传输沉积在基底上形成薄膜。
物理气相沉积技术包括热蒸发、电子束蒸发、分子束外延和磁控溅射等方法。
这些方法在薄膜制备中具有高温、高真空和高能量等特点，能够制备出具有优异性能的薄膜。
然而，物理气相沉积技术在薄膜厚度的控制上存在一定的局限，且对于一些化学反应活性较高的材料来说，难以实现。
2. 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是一种将反应气体在表面上发生化学反应生成薄膜的方法。
CVD 技术根据反应条件的不同可以分为低压CVD、大气压CVD和等离子CVD等。
这些技术在实现复杂薄膜结构和化学组成控制上相较于PVD技术更具优势。
化学气相沉积技术可用于金属、氧化物、氮化物以及半导体材料等薄膜的制备。
然而，该技术所需的气体和化学物质成分较复杂，容易引起环境污染，并且对设备的要求较高。
3. 溶液法制备薄膜溶液法是一种常用的低成本、高效率的薄膜制备技术。
常见的溶液法包括旋涂法、浸渍法、喷涂法和柔性印刷法等。
这些方法通过将溶液中的溶质沉积在基底上，形成薄膜。
溶液法制备薄膜的优势在于简单易行、成本低、适用于大面积薄膜制备。
然而，溶液法制备出的薄膜常常具有较低的晶化程度和机械强度，且在高温和湿润环境下易失去稳定性。
4. 磁控溅射技术磁控溅射技术是一种通过离子轰击固体靶材的方法制备薄膜。
在磁控溅射过程中，离子轰击靶材，使靶材表面的原子转化为蒸汽，然后通过惰性气体的加速将蒸汽沉积在基底上。
磁控溅射技术可用于金属、氧化物、氮化物等薄膜的制备，并可实现厚度和成分的精确控制。
薄膜制备技术化学气相沉积(CVD)分解
边界条件：
C(x,y) y
yb
0
(2)
C (x,0)0 (3)
C(0,y)C i (4) C ( ,y)0 (5)
分离变量： C(x,y)=X(x)Y(y)
C(x,y)4Ci n 02n11sin(2n 2b1)y
exp/D(/D)2((2n1)/b)21/2 x
C (x ,y ) 4 C isin 2 b y e x p ( 2 D x/4 b 2 )
Si3 (C g l)S H iH (sC ) H 2 ( g l) ； (g K 4 ) (a S P ) S P iH i3 P C H C 2llH S2 i(C g H 2 ) (lg )S i2 ( H s) ； ClK 5 ( g ( P a S S) 2 ) iP i P H H C 2 2 C l l S4 i(H g )Si ( 2 H s 2()； g) K 6(a P S S )iP 4 iH 2 H 2
平板上的流动：
(x)5x/(R ex)1/2
雷 诺 数 R e x 0 x /
粘 滞 系 数 ， 密 度
边界层(流速低于V0)平均厚度：
讨论 ：1/L 0 L(x)dx1 3 0L 0L1 3 0R L eL
1、要减小边界层厚度，需要提高雷诺数Re 即
提高流速，降低气体密度(降低压强)。
2、太高的雷诺数导致湍流。
8.4 化学气相沉积（CVD）
利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成 固态淀积物的过程．Chemical Vapor Deposition (CVD)，Vapor phase epitaxy (VPE)；
特点：不需要高真空；反应物和副产物为气体； 薄膜沉积温度低，速度快；薄膜的结晶性好、结构 完整、致密，与衬底粘附性好；极佳的台阶覆盖能 力；可获得平滑的沉积表面；可沉积各种金属，半 导体，无机物，有机物；可控制材料的化学计量比， 纯度高；批量生产，半连续流程；
2、化学气相沉积法(CVD)
特点：通过无机途径制膜，有时只需在室温 进行干燥即可，因此容易制得10层以上而无 龟裂的多层氧化物薄膜。但是用无机法制得 的薄膜与基板的附着力较差，而且很难找到 合适的能同时溶解多种氧化物的溶剂。因 此，目前采用溶胶·凝胶法制备氧化物薄膜， 仍以有机途径为主。
溶胶-凝胶制造薄膜的特点： (A)工艺设备简单，成本低。 (B)低温制备。 (C)能制备大面积、复杂形状、不同基底的膜。 (D)便于制备多组元薄膜，容易控制薄膜的成 分及结构。 (E)对基底材料几乎无选择性。 (F)以氧化物膜为主。 (G)膜致密性较差，易收缩，开裂。
过饱和度(β)定义为 β=(pA)g/(pA)s 式中，(pA)g是气体热力学平衡求出A的分压；(pA)s是 在AB固体化合物的析出温度时的平衡蒸气压。 CVD法析出的化合物形状的决定因素：反应温度、有 助于反应的不同化学物质的过饱和度、在反应温度时 的成核速率等。 为了得到优质的薄膜，必须防止在气相中由气相-气相 反应生成均相核，即应首先设定在基片表面促进成核 的条件。
(E)微波等离子体化学气相沉积(MWPECVD)
定义：利用微波能电离气体而形成等离子体，将微波 作为CVD过程能量供给形式的一种CVD 新工艺。属于 低温等离子体范围。 特点： ①在一定的条件下，它能使气体高度电离和离解， 产生很多活性等离子体。 ②它可以在很宽的气压范围内获得。 低压时：Te>>Tg，这对有机反应、表面处理等尤为 有利，人们称之为冷等离子体； 高压时：Te≈Tg，它的性质类似于直流弧，人们称 之为热等离子体。
(C)激光化学气相沉积(LCVD)
定义：用激光束照射封闭于气室内的反应气 体，诱发化学反应，生成物沉积在置于气室内 的基板上。是将激光应用于常规CVD的一种新 技术，通过激光活化而使常规CVD技术得到强 化，工作温度大大降低，在这个意义上LCVD 类似于PECVD。 LCVD 技术的优点：沉积过程中不直接加热整 块基板，可按需要进行沉积，空间选择性好， 甚至可使薄膜生成限制在基板的任意微区内； 避免杂质的迁移和来自基板的自掺杂；沉积速 度比CVD快。
氧化物薄膜的制备和性能
氧化物薄膜的制备和性能薄膜技术是材料领域中一项重要的技术，它已被广泛应用于工业生产和科学研究中。
其中氧化物薄膜是薄膜研究的一个重要领域。
本文旨在探讨氧化物薄膜的制备和性能。
一、氧化物薄膜的制备1. 化学气相沉积法化学气相沉积法是制备氧化物薄膜的一种常见的方法。
其原理是在高温下使气体分解并与基底表面反应，形成薄膜。
该方法的优点是可以制备出具有高质量和均匀性的薄膜，具有较高的加工精度和生产效率。
缺点是需要使用高温和高压条件，对设备的要求比较高，同时易受到制备条件和杂质的影响。
2. 磁控溅射法磁控溅射法是使基底表面被金属表面击打，产生了一定能量的离子，离子袭击基底表面，形成薄膜的方法。
该方法具有制备薄膜均匀、纯度高、复合性能良好等优点。
但缺点是需要使用高真空和高电压条件，对设备的要求比较高，同时磁场和离子束的作用也会影响薄膜的制备。
3. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法制备氧化物薄膜是一种比较简单的方法。
其原理是将金属盐或有机金属化合物溶解在溶剂中，形成可沉淀的胶体，经过固化和热处理后形成氧化物膜。
该方法具有制备工艺简单、适量涂层、适用性广等优点。
但缺点是生长速度慢，薄膜质量较差。
二、氧化物薄膜的性能1. 电学性能氧化物薄膜的电学性能是其性能的一个重要方面。
其电学性能受到多种因素的影响，如氧化物材料、晶格结构、载流子浓度等。
常见的氧化物薄膜的电学性能包括介电常数、电阻率、电容率等。
其中介电常数是晶体对电场响应的量，电阻率是表征材料导电性能的一个参数，电容率是电容器的一个参数。
2. 光学性能氧化物薄膜的光学性能是其性能的一个重要方面，对于聚焦和调制光波等方面有应用价值。
其光学性能包括透过率、反射率、折射率等参数。
其中透过率是材料透过入射光线的能量大小的一个参数，反射率是材料反射入射光线的能量大小的一个参数，折射率是材料将光线折射后能量传播的一个参数。
3. 结构性能氧化物薄膜的结构性能对薄膜的其它性能有着重要的影响。
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桂林电子科技大学材料科学与工程学院
2 化学气相沉积的原理
2.2 CVD的特征
在 CVD 过程中，只有发生在气相 ——固相交界面的反应才 能在基体上形成致密的固态薄膜。如果反应发生在气相， 则生成的固态产物只能以粉末形态出现。由于在 CVD过程 中，气态反应物之间的化学反应以及产物在基体上的析出 过程是同时进行的，所以 CVD的机理非常复杂。 CVD中的 化学反应受到气相与固相表面的接触催化作用，产物的析 出过程也是由气相到固相的结晶生长过程。一般来说，在 CVD反应中基体和气相间要保持一定的温度和浓度差，由 二者决定的过饱和度产生晶体生产的驱动力。
第二章 薄膜制备的化学气相沉积
材料科学与工程学院 纳米光电材料实验室 朱归胜
目录
1 基本概念
2
化学气相沉积的原理
3 化学气相沉积的优缺点 4 化学气相沉积的主要反应类型 5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
6 化学气相沉积的适用范围
7 化学气相沉积的主要装置 8 化学气相沉积的工艺参数
桂林电子科技大学材料科学与工程学院
用途
可制作薄 膜的材料
1.3 化学气相沉积的发展历程
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 80年代低压 CVD成膜技术 成为研究热潮
桂林电子科技大学材料科学与工程学院
2 化学气相沉积的原理
2.1 化学气相沉积法的定义 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。
5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
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 .
桂林电子科技大学材料科学与工程学院
5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
两种常见的流体流动方式
热传导是固体中热传递的主要方式，是将基 片臵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
2 化学气相沉积的原理
2.3 CVD法制备薄膜的过程——简化的四大过程 ①反应气体被基体表面吸附；
②反应气体向基体表面扩散；
③在基体表面发生反应； ④气体副产品通过基体表面由内向外扩散而脱离表 面。
桂林电子科技大学材料科学与工程学院
2 化学气相沉积的原理
2.4 CVD反应体系必须具备三个条件
4 化学气相沉积的主要反应类型
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
475 C Cd(CH3 )2 +H2S CdS+2CH4
0
SiH4 +2O2 SiO2 +2H2O
750 C 3SiH4 +4NH3 SiN4 +12H2
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引言
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)].
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1 基本概念
化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，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。 从气相中析出的固体的形态主要有下列几种：
在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒
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5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
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
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5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
反应动力学是一个把反应热力学预言变为现实，使 反应实际进行的问题；它是研究化学反应的速度和 各种因素对其影响的科学。
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2 化学气相沉积的原理
2.3 CVD法制备薄膜的过程
质量传输 气体传送
1) 反应物的
CVD 反应室
7) 副产物的解吸附作用 2) 薄膜先驱
8) 副产物去除
物反应
副产物
排气
3) 气体分
子扩散
5) 先驱物扩散
4) 先驱物
到衬底中
6) 表面反应
连续膜
的吸附
衬底
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2 化学气相沉积的原理
2.2 CVD的特征
下图为 CVD法形成薄膜的原理。在反应过程中，以气体形式提供构成 薄膜的原料，反应尾气由抽气系统排出。通过热能（辐射、传导、感应 加热等）除加热基板到适当温度之外，还对气体分子进行激发、分解， 促进其反应。分解生成物或反应产物沉积在基板表面形成薄膜。
按 淀 积 温 度 ： 低 温 （ 200 ～ 500℃ ） 、 中 温 （ 500 ～ 1000℃）和高温（1000 ～1300℃） 按反应器内的压力：常压和低压 按反应器壁的温度：热壁和冷壁 按反应激活方式：热激活和冷激活
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1 .1 化学气相沉积的分类
CVD是一种材料表面改性技术。它利用气相间的反 应，在不改变基体材料的成分和不削弱的基体材料 的强度条件下，赋予材料表面一些特殊的性能。 CVD是建立在化学反应基础上的，要制备特定性能 材料首先要选定一个合理的沉积反应。用于CVD技 术的通常有如下所述五种反应类型
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制作温度
成膜速率
150~2000℃（基片）
25~1500 um/h 材料精制，装饰，表面保护 ，电子材料
碱及碱土类以外的金属（Ag、Au困 难）、碳化物、氮化物、硼化物、 氧化物、硫化物、硒化物、碲化物 、金属化合物、合金 桂林电子科技大学材料科学与工程学院
5~250um/h 装饰，电子材料，光学 所有固体（C、Ta、W困难 ）、卤化物和热稳定化合物
化学气相沉积（CVD）
——Chemical Vapor Deposition
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 化学气相沉积的原理
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。 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。 CVD法能得到致密的高纯度的膜，不仅可成膜的范围广泛 且具有极高的附着强度。只要可靠地控制就可以稳定地成 膜，即使在深孔中，只要能有反应气体进入，就能方便地 在孔壁、孔底成膜。基于上述优点，其应用范围正日益扩 大，并已成为半导体产业中不可缺少的关键技术之一。
在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以 适当的速度被引入反应室；
反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发 性的；
沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压。
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3 化学气相沉积的优缺点
优点
即可制作金属、非金属薄膜，又可制作多组分合金薄 膜；
0
325~4750 C
WI6 (g) W(s)+3I2 (g) 0
~3000 C
14000C
SiH4 a-Si(H)+2H2
激光束 W(CO)6 W+6CO
~3500 C
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5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
化学气相沉积的五个主要的机构
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2 化学气相沉积的原理
2.2 CVD的特征
在 CVD中，物质的移动速度（气体分子向基板表面的输送： 反应物的浓度、扩散系数、流速、边界层的厚度）与表面 的反应速率（气体分子在基板表面的反应：气态反应物的 吸附、反应，气态反应产物的脱离，反应物质的浓度，基 板的温度等）决定着膜层在基板上的沉积速率。
在气体中生成粒子
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1 基本概念
化 学 气 相 淀 积 ， 简 称 CVD(Chemical Vapor Deposition) 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的 单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光以及激 光等能源，借助气相作用或在基板表面的化学反应（热分 解或化学合成）生长要求的薄膜。
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5 化学气相沉积的热力学与动力学原理 1.输送现象
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，是将基片臵 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
热传导方式来进行基片加热的装臵
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3 化学气相沉积的优缺点
缺点
参与沉积的反应源和反应后的气体易燃、易爆或有毒，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；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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4 化学气相沉积的主要反应类型
化学气相沉积（CVD）是一种化学气相生长法。
CVD装置的主要部分： 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。