薄膜材料与薄膜制备技术分析课件

1、传统热CVDCVD法制模 日期：2015.6.19CVD制模基本原理1CVD制模基本特征2热化学气相沉积3内容大纲3CVDCVD制模基本原理化学气相沉积CVD(Chemical Vapor Deposition)是利用加热，等离子体激励或光辐射等方法，使气态或蒸汽状态的化学物质发生反应并以原子态沉积在适当位置的衬底上，从而形成所需要的固态薄膜或涂层的过程。化学气相沉积主要分为四个重要阶段反应气体向基体表面扩散反应气体吸附于基体表面气相副产物脱离表面反应气体向基体表面扩散4CVDCVD制模基本原理基本示意图基本示意图CVD法原理示意图反应气体向材料表面扩散反应气体吸附于材料的表面在材料表面发生化

2、学反应气态副产物脱离材料表面 四个过程四个过程5CVDCVD制模基本特征最主要的是必须要有化学反应，最主要的是必须要有化学反应，化学反应还需以下三大特点： 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 通过沉积反应能够形成所需要的材料沉积层 反应易于控制6CVDCVD制模基本特征1 、成膜的种类范围广、成膜的种类范围广 金属、非金属、合金、半导体、氧化物、单晶、多晶、有机材金属、非金属、合金、半导体、氧化物、单晶、多晶、有机材 料、软质、料、软质、超硬超硬2 、化学反应可控性好，膜质量高、化学反应可控性好，膜质量高3 、成膜的、成膜的速度快速度快（与（与PVD 相

3、比），适合相比），适合大批量生产大批量生产，膜的均匀性好（低真，膜的均匀性好（低真空，膜的绕射性好），可在复杂形状工件上成膜空，膜的绕射性好），可在复杂形状工件上成膜4 、膜层的、膜层的致密性好致密性好，内应力小，内应力小，结晶性好结晶性好（平衡状态成膜）（平衡状态成膜）5 、成膜过程的辐射损伤比较低，有利于制备多层薄膜，改变工作气体，可、成膜过程的辐射损伤比较低，有利于制备多层薄膜，改变工作气体，可方便制备高梯度差薄膜（材质）方便制备高梯度差薄膜（材质） 过渡区小（光电，半导体器件）过渡区小（光电，半导体器件）7CVDCVD制模基本特征 CVD的分类1 按沉积温度分：低温（按沉积温度分：低温

4、（200500） 、中温（、中温（5001000）、高温）、高温（10001300）2 按反应压力分：常压按反应压力分：常压CVD（APCVD）、减压）、减压CVD（LPCVD）3 按反应器壁温度分：热壁按反应器壁温度分：热壁CVD、冷壁、冷壁CVD4按激活方式分：按激活方式分：热激活、等离子体激活（电场、微波、热激活、等离子体激活（电场、微波、ECR 等）、光等）、光激活（紫外光、激光等）激活（紫外光、激光等）5.以主要特征进行综合分类，可分为热化学气相沉积（以主要特征进行综合分类，可分为热化学气相沉积（TCVD）、低压化）、低压化学气相沉积（学气相沉积（LPCVD）、等离子体增强化学气相沉

5、积）、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、金属有、金属有机化学气相沉积（机化学气相沉积（MOCVD）等）等8CVDCVD制模基本特征CVD对反应体系的要求1.能够形成所需要的材料淀积层或材料层的组合，其它反应产物均易挥发能够形成所需要的材料淀积层或材料层的组合，其它反应产物均易挥发2.反应剂在室温下最好是气态，或在不太高的温度下有相当的蒸气压，且反应剂在室温下最好是气态，或在不太高的温度下有相当的蒸气压，且容易获得高纯品容易获得高纯品3.在沉积温度下，沉积物和衬底的蒸汽压要足够低在沉积温度下，沉积物和衬底的蒸汽压要足够低4.淀积装置简单，操作方便工艺上重复性好，适于批量生产，成本低廉淀积装

6、置简单，操作方便工艺上重复性好，适于批量生产，成本低廉9CVDCVD制模基本特征CVD 反应的分类a 、热分解反应（单一气源）：气态氢化物、羟基化合物等在炽热基片上、热分解反应（单一气源）：气态氢化物、羟基化合物等在炽热基片上热分解沉积热分解沉积b、化学合成反应（、化学合成反应（ 两种或两种以上气源）两种或两种以上气源）c、化学输运反应：是一个可逆反应，由温度来控制反应进行的方向。在、化学输运反应：是一个可逆反应，由温度来控制反应进行的方向。在高温区生成气相物质，输运到低温区以后，发生分解生成薄膜。一般用于高温区生成气相物质，输运到低温区以后，发生分解生成薄膜。一般用于物质的提纯。物质的提纯。

7、 10CVDCVD制模基本特征缺点缺点：1 一般一般CVD 的温度太高，使基板材料耐不住高温，界面扩散而影响薄膜的温度太高，使基板材料耐不住高温，界面扩散而影响薄膜质量。质量。2 大多数反应气体和挥发性气体有剧毒、易燃、腐蚀。大多数反应气体和挥发性气体有剧毒、易燃、腐蚀。3 在局部表面沉积困难。在局部表面沉积困难。优点优点：1 、沉积装置相对简单。、沉积装置相对简单。2 、可在低于熔点或分解温度下制备各种高熔点的金属薄膜和碳化物、可在低于熔点或分解温度下制备各种高熔点的金属薄膜和碳化物、氮化物、硅化物薄膜及氧化物薄膜，可实现高温材料的低温生长。氮化物、硅化物薄膜及氧化物薄膜，可实现高温材料的低

8、温生长。3 、适合在形状复杂表面及孔内镀膜。、适合在形状复杂表面及孔内镀膜。4 、成膜所需源物质，相对来说较易获得。、成膜所需源物质，相对来说较易获得。11CVDCVD制模基本特征反应室CVD装置结构： 卧式开管卧式开管CVD装置装置特点：具有特点：具有高的生产效率高的生产效率，但沿气流方向存在气体浓度、膜厚分布不均匀性，但沿气流方向存在气体浓度、膜厚分布不均匀性 问题。问题。 12CVDCVD制模基本特征 立式立式CVD装置装置 特点：特点：膜厚均匀性好膜厚均匀性好。 但不易获得高的生但不易获得高的生产效率。产效率。13CVDCVD制模基本特征 转筒转筒CVD装置装置 特点：特点： 膜厚均匀

9、性好膜厚均匀性好， 高的生产效率高的生产效率。14CVDCVD制模基本特征影响CVD 薄膜质量的因素1.温度温度 ：影响淀积速率、薄膜的结晶状态。影响淀积速率、薄膜的结晶状态。不同的沉积温度，可得到单晶或多晶薄膜。一般希望低温沉积不同的沉积温度，可得到单晶或多晶薄膜。一般希望低温沉积 质量较好，应力质量较好，应力减小，但不能低于结晶温度（影响原子迁移）。减小，但不能低于结晶温度（影响原子迁移）。2.反应气体浓度及比例：沉积速率还受控于反应气体浓度及流速（反应量）反应气反应气体浓度及比例：沉积速率还受控于反应气体浓度及流速（反应量）反应气体的压强不宜过大（适中体的压强不宜过大（适中 根据化学反应

10、的条件，热力学方程根据化学反应的条件，热力学方程 ）。反应气体压）。反应气体压强过低影响成核密度强过低影响成核密度 成膜速率。成膜速率。3.基板的影响：基板的影响：材质，膨胀系数材质，膨胀系数 附着性；表面结晶状态附着性；表面结晶状态 成膜中心、成膜中心、密度，晶体的结晶取向（密度，晶体的结晶取向（CVD 亦可生外延薄膜）；基板位置亦可生外延薄膜）；基板位置 膜均匀膜均匀（另与气体流速，气体压强有关）（另与气体流速，气体压强有关） 15热化学气相沉积热化学气相沉积是指采用衬底表面热催化方式进行的化学气相沉积。该方法沉积温度较高，一般在8001200左右，这样的高温使衬底的选择受到很大限制，但它

11、是化学气相沉积的经典方法： 组成部分气相供应系统反应室排气系统16热化学气相沉积气相供应系统由反应气体和载气组成。反应气体既可以以气态供给，也可以以液态或者固态供给。当反应气体为气态时，由高压钢瓶经减压阀取出，可通过流量计控制流量。当反应气体为液态时，可采用两种方法使之气化，一是把液体通入蒸发容器中，同时使载气从温度恒定的液面上通过，这样液体在相应温度下产生的蒸气由载气携带进入反应室；二是让载气通过液体，利用产生的气泡使液体汽化，继而将反应气体携带出去。当反应气体以固态形式供给时，把固体放入蒸发器内，加热使其蒸发或升华，继而送入反应室中。由于沉积薄膜的性能与气体的混合比例有关，气体的混合比例由

12、相应的质量流量计和控制阀来决定。17热化学气相沉积 反应室：根据反应系统的开放程度，可分为开放型、封闭型、近间距型。 类型类型 特点特点 开放型能连续地供气和排气、反应总是处于非平衡状态而有利于沉积物的形成，优点优点是试样容易装卸，工艺条件易于控制，是试样容易装卸，工艺条件易于控制，工艺重复性好。工艺重复性好。封闭型把一定量的反应原料和适宜的衬底分别放在反应管的两端，管内抽成真空后放入一定量的输送剂然后熔封，可以降低可以降低来自空气或环境气氛的偶然污染，沉积来自空气或环境气氛的偶然污染，沉积转化率高，其缺点是反应速度慢，不适转化率高，其缺点是反应速度慢，不适宜进行大批量生产。宜进行大批量生产。近间距型兼有封闭型和开放型的某些特点18热化学气相沉积另外根据反应器壁是否加热，可分为热壁反应器和冷壁反应器：类型类型原理原理优缺点优缺点热壁反应器气壁、衬底和反应气体处在同一温度下，通常用电阻元件加热，用于间歇式生产优点非常精确地控制反应温度；缺点是沉积不仅在衬底表面，也在器壁上和其他元件上发生冷壁反应器通常只对衬底加热，器壁温度较低增强反应气体的输送速度19热化学气相沉积排气系统排气系统是CVD装置在安全方面最为重要的部分。该系统具有两个主要的功能：一是反应室除去未反应的气体和副产物，二是提供一条反应物跃过反应区的通畅路径。其中未反应的气体可能在排气系统中继续反应而形成