化学气相沉积(CVD)原理及其薄膜制备ppt课件
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化学气相淀积PPT课件
加热方式：
• 电阻直接加热（热壁式和冷壁式） • 电感加热或高能辐射灯加热（多为冷壁式）
天津工业大学 集成电路工艺原理
第21页/共42页
常用的几种CVD系统
APCVD系统（Atmospheric Pressure CVD）
• 操作简单；较高的淀积速率；适于介质薄膜淀积； • 易发生气相反应，产生颗粒污染；台阶覆盖性和均匀性较差；
第9页/共42页
CVD的基本过程
• 反应剂在主气流中的输送； • 反应剂从主气流中扩散通过边界层到达衬底表面； • 反应剂在表面被吸附； • 吸附的反应剂在表面发生反应，淀积成膜； • 反应的副产物和未反应剂离开衬底表面，排除。
主气流区
反应室
气流入口
天津工业大学 集成电路工艺原理
边界层
第10页/共42页
淀积温度、压力、掺杂类型、热处理
天津工业大学 集成电路工艺原理
第27页/共42页
§6.4 CVD二氧化硅的特性和淀积方法
• 低温CVD SiO2 （300~450℃）
1）硅烷为源的低温CVD SiO2
SiH4（气）+O2（气） （APCVD）
SiO2（固） +2H2（气）
SiH4（气）+2N2O（气） +2N2（气） （PECVD）
天津工业大学 集成电路工艺原理
第11页/共42页
边界层理论
• 黏滞性流动：当气压较高时（平均自由程远小于反应室尺
寸），气体与固体间的摩擦力使紧贴固体表面的气流速度降为零， 如果沿气流方向没有速度梯度，而沿垂直气流方向的流速为抛物 线型变化，则称为泊松流。
• 边界层（附面层、滞流层）概念：当气体流过硅片表面时，
存在着一个速度受到扰动并按抛物线型变化，同时还存在反应剂 浓度梯度的薄层被称为边界层，也称为附面层、滞流层。
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
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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
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
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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。
精选ppt
14
(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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14
(C)CVD的流程与装置
表面处理第十二讲气相沉积(共16张PPT)
4、CVD装置及工艺应用：
）成膜机理 表面温度（低利于凝聚成膜，但结合力不高。
2 3）影响蒸镀过程的状态与参数：
二、化学气相沉积（CVD） 二、化学气相沉积（CVD） （1）真空度：一般为10-2~10-4Pa； 二、化学气相沉积（CVD） 表面处理第十二讲气相沉积 概念：在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程。 一、物理气相沉积（PVD） （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 2）反应物供给及配比：要选择常温下是气态的物质或具有高蒸气压的液体或固体。 由于溅射沉积到基材表面的粒子能量比蒸发时高50倍，对基材表面有清洗和升温作用，所以镀膜附着力较大。 二、化学气相沉积（CVD） 缺点是需要在较高温度下反应，基材温度高，沉积速率较低（每小时几微米到几百微米），基材难以进行局部沉积，参加沉积反应的气源和反应 后的余气有一定的毒性。 基材表面晶体结构（单晶体则镀膜也长成单晶体）； 氩离子高速轰击基材并溅射清洗活化其表面，然后接通交流电，加热蒸发蒸发源中的膜料，蒸发出的粒子通过辉光放电的等离子区时部分被电离 ，成为正离子，高速打在基材表面。 （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 把待镀膜材料置于高真空室内，通过加热使蒸发材料汽化（或升华），以原子、分子或原子团离开熔体表面，凝聚在具有一定温度的基材或工件 表面，并冷凝成薄膜的过程。 1、概念：把一种或几种含有构成薄膜元素的单质气体或化合物通入放置有基材的反应室，借助气相作用或在基材上的化学反应生成所希望的薄膜 。
3、应用：在电子、机械等工业领域有广泛应用，特别用于 氧化物、碳化物、金刚石和类金刚石等功能薄膜和超硬薄 膜的沉积。分常压和低压（数百至数十Pa）CVD。后者镀
膜均匀性好，针孔较少，反应气体利用率高。
）成膜机理 表面温度（低利于凝聚成膜，但结合力不高。
2 3）影响蒸镀过程的状态与参数：
二、化学气相沉积（CVD） 二、化学气相沉积（CVD） （1）真空度：一般为10-2~10-4Pa； 二、化学气相沉积（CVD） 表面处理第十二讲气相沉积 概念：在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程。 一、物理气相沉积（PVD） （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 2）反应物供给及配比：要选择常温下是气态的物质或具有高蒸气压的液体或固体。 由于溅射沉积到基材表面的粒子能量比蒸发时高50倍，对基材表面有清洗和升温作用，所以镀膜附着力较大。 二、化学气相沉积（CVD） 缺点是需要在较高温度下反应，基材温度高，沉积速率较低（每小时几微米到几百微米），基材难以进行局部沉积，参加沉积反应的气源和反应 后的余气有一定的毒性。 基材表面晶体结构（单晶体则镀膜也长成单晶体）； 氩离子高速轰击基材并溅射清洗活化其表面，然后接通交流电，加热蒸发蒸发源中的膜料，蒸发出的粒子通过辉光放电的等离子区时部分被电离 ，成为正离子，高速打在基材表面。 （2）高频感应加热蒸发源：（3）电子束蒸发源： 把待镀膜材料置于高真空室内，通过加热使蒸发材料汽化（或升华），以原子、分子或原子团离开熔体表面，凝聚在具有一定温度的基材或工件 表面，并冷凝成薄膜的过程。 1、概念：把一种或几种含有构成薄膜元素的单质气体或化合物通入放置有基材的反应室，借助气相作用或在基材上的化学反应生成所希望的薄膜 。
3、应用：在电子、机械等工业领域有广泛应用，特别用于 氧化物、碳化物、金刚石和类金刚石等功能薄膜和超硬薄 膜的沉积。分常压和低压（数百至数十Pa）CVD。后者镀
膜均匀性好，针孔较少，反应气体利用率高。
化学气相沉积(CVD)PPT演示课件
growth of Si films.（歧化反应）
16
6）可逆输运
采用氯化物工艺沉积GaAs单晶薄膜，InP，GaP， InAs，(Ga, In)As, Ga(As, P)
As 4(g) As 2(g) 6GaCl(g) 3H2(g) 87 5500 oo CC 6GaAs(s) 6HCl (g)
5
Schematic diagram of the chemical, transport, and geometric6 al complexities involved in modeling CVD processes.
一、反应类型
主要反应类型：
热分解反应（Pyrolysis）
还原反应（Reduction）
11
3) 氧化反应(Oxidation)
SiH4(g) +O2(g) 450oCSiO2(s) +2H2(g) 2AlCl3(g) 3H2(g) +3CO2(g) 1000oC Al2O3(s) +3CO(g) +6HCl(g) SiCl4(g) +O2(g) +2H2(g) 1500oCSiO2(s) +4HCl(g)
当挥发性金属可以形成具有在不同温度范围内 稳定性不同的挥发性化合物时，有可能发生歧 化反应。
2GeI
2
(
g
)
300 oC 600 oC
Ge
(
s)
GeI
4
(
g
)
金属离子呈现两种价态，低价化合物在高温下 更加稳定。
15
Байду номын сангаас
Early experimental reactor for epitaxial
第六章化学气相淀积CVD课件
A.低温气相化学淀积<500℃: 1). 硅烷为源的低温CVD SiO2:
LPCVD ：250~450 ℃
SiH4(气)＋O2 (气) →SiO2(固)＋2H2 (气)
PECVD： 200~400 ℃
SiH4↑＋2N2O↑→SiO2(固)＋2H2↑＋2N2↑ 温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔
形状都影响淀积速度。 (200~500nm/min)
产生影响 CVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜 化学反应应该发生在被加热的衬底表面
6.2 CVD系统
常压化学气相淀积APCVD 低压化学气相淀积LPCVD 等离子体辅助化学气相淀积
常压化学气相淀积APCVD
最早使用的CVD系统，早期是用来淀积氧化 层和生长硅外延层，现今仍在使用。
反应方程式：SiH4 → Si+2H2 550~650℃ 由N2或Ar携带SiH4 20％＋ N2 80％
淀积速率：100~200Å/min
6.3 .4多晶硅的掺杂
扩散掺杂 离子注入掺杂 原位掺杂
扩散掺杂
在淀积完成后，在较高温度（900-1000℃）下 进行
优点：
获得较低的电阻率 因扩散的温度高可以一步完成掺杂和退火两个工艺
PECVD优点
低的工艺温度（250-450℃） 淀积的膜对衬底有优良的粘附能力 高的淀积速率 少的针孔和空洞，高的膜密度 适用于布线隔离
Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2
高密度等离子体化学气相淀积 HDPCVD
这种方法在20世纪90年代中期被广泛采用 的，其等离子体在低压下以高密度混合气 体的形式直接接触到反应腔中硅片的表面
LPCVD ：250~450 ℃
SiH4(气)＋O2 (气) →SiO2(固)＋2H2 (气)
PECVD： 200~400 ℃
SiH4↑＋2N2O↑→SiO2(固)＋2H2↑＋2N2↑ 温度、压力、反应剂浓度、掺杂及反应腔
形状都影响淀积速度。 (200~500nm/min)
产生影响 CVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜 化学反应应该发生在被加热的衬底表面
6.2 CVD系统
常压化学气相淀积APCVD 低压化学气相淀积LPCVD 等离子体辅助化学气相淀积
常压化学气相淀积APCVD
最早使用的CVD系统，早期是用来淀积氧化 层和生长硅外延层，现今仍在使用。
反应方程式：SiH4 → Si+2H2 550~650℃ 由N2或Ar携带SiH4 20％＋ N2 80％
淀积速率：100~200Å/min
6.3 .4多晶硅的掺杂
扩散掺杂 离子注入掺杂 原位掺杂
扩散掺杂
在淀积完成后，在较高温度（900-1000℃）下 进行
优点：
获得较低的电阻率 因扩散的温度高可以一步完成掺杂和退火两个工艺
PECVD优点
低的工艺温度（250-450℃） 淀积的膜对衬底有优良的粘附能力 高的淀积速率 少的针孔和空洞，高的膜密度 适用于布线隔离
Si3N4: SiH2Cl2 +NH3 PSG: SiH4 +PH3 +O2
高密度等离子体化学气相淀积 HDPCVD
这种方法在20世纪90年代中期被广泛采用 的，其等离子体在低压下以高密度混合气 体的形式直接接触到反应腔中硅片的表面
化学气相沉积 ppt课件
PPT课件
8
一、化学气相沉积的原理
化学气相沉积反应的物质源 1、气态物质源 如H2、N2、CH4、O2、SiH4等。这种物质源对CVD工艺技术最为方 便 ，涂层设备系统比较简单，对获得高质量涂层成分和组织十分有 利。 2、液态物质源 此物质源分两种：（1）该液态物质的蒸汽压在相当高的温度下 也很低，必须加入另一种物质与之反应生成气态物质送入沉积室，才 能参加沉积反应。(2)该液态物质源在室温或稍高一点的温度就能得 到较高的蒸汽压，满足沉积工艺技术的要求。如：TiCl4、CH3CN、 SiCl4、VCl4、BCl3。 3、固态物质源 如：AlCl3、NbCl5、TaCl5、ZrC积室中。因为 固态物质源的蒸汽压对温度十分敏感，对加热温度和载气量的控制精 度十分严格，对涂层设备设计、制造提出了更高的要求。 9 PPT课件
PPT课件
24
二、化学气相沉积的工艺方法
• CVD技术分类
• 反应器是CVD装置最基本的部件。根据反应器 结构的不同，可将CVD技术分为开放型气流法和封闭型气 流法两种基本类型。 • 1、开放型气流法： • 特点：反应气体混合物能够连续补充，同时废弃的反应 产物能够不断地排出沉积室，反应总是处于非平衡状态。 • 优点：试样容易装卸，工艺条件易于控制，工艺重复性 好。
PPT课件
33
• 常用的基体包括： • 各种难熔金属（钼常被采用）、 • 石英、 • 陶瓷、 • 硬质合金等， • 它们在高温下不容易被反应气体侵蚀。 • 当沉积温度低于700℃时，也可以钢为基体，但对钢的表 面必须进行保护，一般用电镀或化学镀的方法在表面沉 积一薄层镍。
PPT课件
34
三、化学气相沉积的特点与应用
一、化学气相沉积的原理
常见的反应类型
第六讲_化学气相沉积(CVD)技术ppt课件
aAbB cC
其自由能的变化为
G cGC aGA bGB
其中，a、b、c 是反应物、反应产物的摩尔数。由此
G
G
RTln
aCc aAa aBb
G RTlnK
ai 为物质的活度，它相当于其有效浓度。G是反应的标 准自由能变化。
由G，可确定 CVD 反应进行的方向。
例: CVD 过程的热力学考虑
例如，考虑下述的薄膜沉积反应的可能性
(1400C)
化学气相沉积反应的类型
气相输运
如将某一物质先在高温处升华
2CdTe(s)2Cd(g)+Te2(g) 然后使其在低温处冷凝的可逆反应
(T1, T2 )
显然，这实际上是一种利用物理现象的 PVD 过程，但它在 设备、物质传输及反应的热力学、动力学分析方面却完全与 CVD 过程相类似
就象沉积太阳能电池CdTe薄膜的密闭容器升华技术 (Close-Spaced Sublimation，CSS)
化学气相沉积的气压环境
与 PVD 时不同，CVD 过程的气压一般 比较高（随需求不同而不同），因为较高的 气压有助于提高薄膜的沉积速率。此时
气体的流动状态多处于粘滞流状态 气体分子的运动路径不再是直线 气体分子在衬底上的沉积几率不再是接近
100%，而是取决于气压、温度、气体组成、 气体激发状态、薄膜表面状态等多个因素 这也决定了 CVD 薄膜可被均匀地涂覆在复 杂零件的表面，而较少受到 PVD 时阴影效 应的影响
第六讲
薄膜材料的CVD方法
Preparation of thin films by CVD methods
提要
CVD 过程中典型的化学反应 CVD 过程的热力学 CVD 过程的动力学 CVD 过程的数值模拟技术 CVD 薄膜沉积装置
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Seminar Ⅰ
化学气相沉积(CVD)原理及其 薄膜制备
报告人：程士敏 导 师：李 灿 研究员
精选ppt
2008. 05. 27
1
概要
➢ CVD 原理 定义 气态物种输运 沉积过程热力学和动力学
➢ CVD 技术分类 ➢ CVD 制备薄膜 ➢ CVD 技术的优缺点
精选ppt
2
CVD (Chemical Vapor Deposition)是通过气态物质在气 相或气固界面上发生反应生成固态粉体或薄膜材料的过程
前驱物 气体
反应 沉积
气态源 载气
液态源 载气
衬底
气相输运
衬底
托架
卧式反应器 立式反应器
固态源
精选ppt
3
孟广耀，化学气相淀积与无机新材料，北京：科学出版社，1984
实验室用典型CVD设备沉积SiC涂层装置简图
化学气相沉积系统
排出气控制系统
气相前驱体供给系统
精选ppt
4
K.L. Choy. / Progress in Materials Science 48 (2003) 57–170
(x) x v
平均附面层厚度：
1 l
l
0(x)dx
2 3
l v
hCi
D
3D 2
l
Pohlhauson 更精确结果：
精选ppt
7
R.E. Treybel. , “Mass-Transfer Operations” ch. 3, McGraw-Hill Book Co. (1955).
输运流量的计算
系统各物种间的 化学反应和
化学平衡方程式
体系物料的 质量守恒方程式
计算机 数值解法
各组分的 平衡分压和 固相组成
已有实验资料
沉积过程机理
优化沉积工艺参数
对于非动力学控制的过程，热力学分析可以定量描述沉积速 率和沉积层组成，有助于了解精选沉pp积t 机制和选择最佳沉积条件9
沉积过程动力学
——CVD研究的核心
７.副产物和未反应的反应物，离开沉
积区，从系统中排出。 速
率
3、4、5 表面步骤
控 制
2、6、7 物质输运步骤
步
1 进气步骤
精选ppt
表面控制或化学动力学控制 质量输运控制或质量转移控制 进气控制或热力学控制 10
沉积过程动力学
实验研究 实验规律
沉积层生长速率、质量与 沉积参数的关系规律
原子和分子尺度推断 材料沉积的表面过程
PABn
JABn hABn(P A 0BnP ABn) (粒子数／厘米2·秒)
精选ppt
8
孟广耀，化学气相淀积与无机新材料，北京：科学出版社，1984
沉积过程热力学
CVD过程的热力学分析 运用化学平衡计算，估算沉积系统
中与某特定组分的固相处于平衡的气态物种的分压值，用以预言 沉积的程度和各种反应参数对沉积过程的影响。
➢动力学控制体系: 从原子水平上描述确定沉积过精选程ppt机理，优化最佳生长条件。11
实验参量对过程控制机制和沉积速率的影响
实例：A(g)=C(s)+B(g)
Ⅰ Ⅱ
A向C表面转移； A在表面上反应，形成沉积物C和副产物B；
Ⅲ B从表面扩散离去。
沉积速率： rP A 0/[a e 1 E a/R T b T 1 1 /2(1 C e 1 H /R T)]
实例：热分解反应 ABn(g)+C(g)=A(s)+nB(g)+C(g)
粒子流密度: JABnhABn(P A 0BnP ABn) JB h B(P B 0P B)h B P B
物料守恒:
1 J ABn n J B
气固界面热力学平衡：
K
P
n B
PABn
KPABn
(nhABn hB
)n(PA0Bn
PABn)n
CVD：气固表面多相化学反应
１.反应气体混合物向沉积区输运；
２.反应物由主气流向生长表面转移；
３.反应(和非反应)分子被表面吸附；
４.吸附物之间或吸附物与气态物种之
间在表面或表面附近发生反应，形
成成晶粒子和气体副产物，成晶粒
子经表面扩散排入晶格点阵；
５.副产物分子从表面上解吸；
６.副产物由表面区向主气流空间扩散；
开管气流系统中的质量输运
——气态组分向生长表面的转移
滞流薄层模型 气态组分从主气流向生长表面转移需通过附
面层，气态组分通过附面层向生长表面转移
一般是靠扩散进行。
粒子流密度: 质量转移系数:
Ji hCi(Ci0Ci)
Ji hPi(Pi0Pi)
hC i(厘 米 /秒 )D / hPi D/RT
附面层厚度：
气态物种的输运
热力学位的差异－驱动力 (压力差、分压或浓度梯度和温度梯度)
气体分子定向流动、对流或扩散
气态反应物或生成物的转移沉积速率、沉机理和沉积层质量精选ppt
5
开管气流系统中的质量输运
——水平反应管中的气流状态 层流和紊流 通常用流体的雷诺数(Re)来判断 R e d
ρ、v、η分别为流体的密度、线流速和粘度系数，d为圆管直径
临界雷诺数： R>R上临 紊流
R<R下临 层流
光滑圆管： R上临＝12000～13000 R下临＝1900～2000
R上临 取决于流动形状，特征长度，入口处和流动方向上的扰动
紊流
层流
气
流
入
口
卧式硅外延反应器中气流模型
附面层模型
S.E. Brodshaw. /精I选ntp.pJt. Electron., 21 (1966) 205; 23 (19676) 381 Schlichting H. , “Boundary Layer Theory” 4th. ch. 7, McGraw-Hill Book Co. (1955).
沉积过程速 率控制机制
深化认识 过程机理
调整实验条件 改进工艺状况
鉴别沉积过程控制机制的最有力的方法，就是实验测定生长参数 (如温度、反应物分压、气体流速和衬底状况等)对沉积速率的影响
➢供质控制过程(热力学控制过程): 分析沉积程度与沉积温度、反应剂分压的关系；
➢扩散控制系统的分析对象是: 沉积层厚度，均匀性和最佳效率等；
沉
质量输运控制
气
积
体
温
流
度
速
的
的
影 热力学控制
影
响
动力学控制 响
精选ppt
12
CVD技术分类(沉积过程能量提供方式)
热活化CVD (conventional CVD, low pressure CVD) 等离子体增强CVD (plasma enhanced CVD) 光CVD (photo-assisted CVD) 原子层沉积 (atomic layer epitaxy) 金属有机CVD (metal-organic CVD) 脉冲注入金属有机CVD (pulsed injection MOCVD) 气溶胶CVD (aerosol assisted CVD) 火焰CVD (flame assisted CVD ) 电化学CVD (electrochemical VD) 化学气相渗透 (chemical vapor infiltration) 热丝CVD (hot-wire CVD)
化学气相沉积(CVD)原理及其 薄膜制备
报告人：程士敏 导 师：李 灿 研究员
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2008. 05. 27
1
概要
➢ CVD 原理 定义 气态物种输运 沉积过程热力学和动力学
➢ CVD 技术分类 ➢ CVD 制备薄膜 ➢ CVD 技术的优缺点
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2
CVD (Chemical Vapor Deposition)是通过气态物质在气 相或气固界面上发生反应生成固态粉体或薄膜材料的过程
前驱物 气体
反应 沉积
气态源 载气
液态源 载气
衬底
气相输运
衬底
托架
卧式反应器 立式反应器
固态源
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3
孟广耀，化学气相淀积与无机新材料，北京：科学出版社，1984
实验室用典型CVD设备沉积SiC涂层装置简图
化学气相沉积系统
排出气控制系统
气相前驱体供给系统
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4
K.L. Choy. / Progress in Materials Science 48 (2003) 57–170
(x) x v
平均附面层厚度：
1 l
l
0(x)dx
2 3
l v
hCi
D
3D 2
l
Pohlhauson 更精确结果：
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7
R.E. Treybel. , “Mass-Transfer Operations” ch. 3, McGraw-Hill Book Co. (1955).
输运流量的计算
系统各物种间的 化学反应和
化学平衡方程式
体系物料的 质量守恒方程式
计算机 数值解法
各组分的 平衡分压和 固相组成
已有实验资料
沉积过程机理
优化沉积工艺参数
对于非动力学控制的过程，热力学分析可以定量描述沉积速 率和沉积层组成，有助于了解精选沉pp积t 机制和选择最佳沉积条件9
沉积过程动力学
——CVD研究的核心
７.副产物和未反应的反应物，离开沉
积区，从系统中排出。 速
率
3、4、5 表面步骤
控 制
2、6、7 物质输运步骤
步
1 进气步骤
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表面控制或化学动力学控制 质量输运控制或质量转移控制 进气控制或热力学控制 10
沉积过程动力学
实验研究 实验规律
沉积层生长速率、质量与 沉积参数的关系规律
原子和分子尺度推断 材料沉积的表面过程
PABn
JABn hABn(P A 0BnP ABn) (粒子数／厘米2·秒)
精选ppt
8
孟广耀，化学气相淀积与无机新材料，北京：科学出版社，1984
沉积过程热力学
CVD过程的热力学分析 运用化学平衡计算，估算沉积系统
中与某特定组分的固相处于平衡的气态物种的分压值，用以预言 沉积的程度和各种反应参数对沉积过程的影响。
➢动力学控制体系: 从原子水平上描述确定沉积过精选程ppt机理，优化最佳生长条件。11
实验参量对过程控制机制和沉积速率的影响
实例：A(g)=C(s)+B(g)
Ⅰ Ⅱ
A向C表面转移； A在表面上反应，形成沉积物C和副产物B；
Ⅲ B从表面扩散离去。
沉积速率： rP A 0/[a e 1 E a/R T b T 1 1 /2(1 C e 1 H /R T)]
实例：热分解反应 ABn(g)+C(g)=A(s)+nB(g)+C(g)
粒子流密度: JABnhABn(P A 0BnP ABn) JB h B(P B 0P B)h B P B
物料守恒:
1 J ABn n J B
气固界面热力学平衡：
K
P
n B
PABn
KPABn
(nhABn hB
)n(PA0Bn
PABn)n
CVD：气固表面多相化学反应
１.反应气体混合物向沉积区输运；
２.反应物由主气流向生长表面转移；
３.反应(和非反应)分子被表面吸附；
４.吸附物之间或吸附物与气态物种之
间在表面或表面附近发生反应，形
成成晶粒子和气体副产物，成晶粒
子经表面扩散排入晶格点阵；
５.副产物分子从表面上解吸；
６.副产物由表面区向主气流空间扩散；
开管气流系统中的质量输运
——气态组分向生长表面的转移
滞流薄层模型 气态组分从主气流向生长表面转移需通过附
面层，气态组分通过附面层向生长表面转移
一般是靠扩散进行。
粒子流密度: 质量转移系数:
Ji hCi(Ci0Ci)
Ji hPi(Pi0Pi)
hC i(厘 米 /秒 )D / hPi D/RT
附面层厚度：
气态物种的输运
热力学位的差异－驱动力 (压力差、分压或浓度梯度和温度梯度)
气体分子定向流动、对流或扩散
气态反应物或生成物的转移沉积速率、沉机理和沉积层质量精选ppt
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开管气流系统中的质量输运
——水平反应管中的气流状态 层流和紊流 通常用流体的雷诺数(Re)来判断 R e d
ρ、v、η分别为流体的密度、线流速和粘度系数，d为圆管直径
临界雷诺数： R>R上临 紊流
R<R下临 层流
光滑圆管： R上临＝12000～13000 R下临＝1900～2000
R上临 取决于流动形状，特征长度，入口处和流动方向上的扰动
紊流
层流
气
流
入
口
卧式硅外延反应器中气流模型
附面层模型
S.E. Brodshaw. /精I选ntp.pJt. Electron., 21 (1966) 205; 23 (19676) 381 Schlichting H. , “Boundary Layer Theory” 4th. ch. 7, McGraw-Hill Book Co. (1955).
沉积过程速 率控制机制
深化认识 过程机理
调整实验条件 改进工艺状况
鉴别沉积过程控制机制的最有力的方法，就是实验测定生长参数 (如温度、反应物分压、气体流速和衬底状况等)对沉积速率的影响
➢供质控制过程(热力学控制过程): 分析沉积程度与沉积温度、反应剂分压的关系；
➢扩散控制系统的分析对象是: 沉积层厚度，均匀性和最佳效率等；
沉
质量输运控制
气
积
体
温
流
度
速
的
的
影 热力学控制
影
响
动力学控制 响
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CVD技术分类(沉积过程能量提供方式)
热活化CVD (conventional CVD, low pressure CVD) 等离子体增强CVD (plasma enhanced CVD) 光CVD (photo-assisted CVD) 原子层沉积 (atomic layer epitaxy) 金属有机CVD (metal-organic CVD) 脉冲注入金属有机CVD (pulsed injection MOCVD) 气溶胶CVD (aerosol assisted CVD) 火焰CVD (flame assisted CVD ) 电化学CVD (electrochemical VD) 化学气相渗透 (chemical vapor infiltration) 热丝CVD (hot-wire CVD)