薄膜材料与薄膜制备技术分析课件.ppt

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1、传统热CVD 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3CVD 制模基本原理化 学 气 相 沉 积CVD(ChemicalVaporDeposition)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3CVD 制模基本原理基本示意图CVD 法原理示意

2、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学反应气态副产物脱离材料表面 四个过程4CVD 制模基本特征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5CVD 制模基本特征1、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 料、软质、超硬2、化学反应可控性好，膜质量高3、成膜的速度快（与PVD 相比），适合大批量生产，膜的均匀性好（低真空，膜的绕射性好），可在复杂

3、形状工件上成膜4、膜层的致密性好，内应力小，结晶性好（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，可方便制备高梯度差薄膜（材质）过渡区小（光电，半导体器件）6CVD 制模基本特征 CVD 的分类1 按 沉 积 温 度 分：低 温（200500）、中 温（5001000）、高 温（10001300）2 按反应压力分：常压CVD（APCVD）、减压CVD（LPCVD）3 按反应器壁温度分：热壁CVD、冷壁CVD4 按 激 活 方 式 分：热 激 活、等 离 子 体 激 活（电 场、微 波、ECR 等）、光激活（紫外光、激光等）5.以 主 要 特 征 进 行 综 合

4、 分 类，可 分 为 热 化 学 气 相 沉 积（TCVD）、低 压 化学 气 相 沉 积（LPCVD）、等 离 子 体 增 强 化 学 气 相 沉 积(PECVD)、金 属 有 机化学气相沉积（MOCVD）等7CVD 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4.淀 积 装 置 简 单，操 作 方 便 工

5、 艺 上 重 复 性 好，适 于 批 量 生 产，成 本 低廉8CVD 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 上热分解沉积b、化学合成反应（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。9CVD 制模基本特征缺点：1 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质量。2

6、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。优点：1、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、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。3、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。10CVD 制模基本特征反应室CVD 装置结构：卧式开管CVD 装置特点：具有高的生产效率，但沿气流方向存在气体浓度、膜厚分布不均匀性 问题。11CVD 制模基本特征 立式CVD 装置 特点：膜厚均匀性好。但不易获得高的生产效率。12CVD 制模基本特征 转筒CVD 装置 特点：膜厚均匀性好，高的生产效率。1

7、3CVD 制模基本特征影响CVD 薄膜质量的因素1.温度：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 质 量 较 好，应 力减小，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 气体 的 压 强 不 宜 过 大（适 中 根 据 化 学 反 应 的 条 件，热 力 学 方 程）。反 应 气 体 压强过低影响成核密度 成膜速率。3.基 板 的 影 响：材 质，膨 胀 系 数 附 着 性；表 面 结

8、晶 状 态 成 膜 中 心、密 度，晶 体 的 结 晶 取 向（CVD 亦 可 生 外 延 薄 膜）；基 板 位 置 膜 均 匀（另与气体流速，气体压强有关）14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800 1200 左 右，这 样 的 高 温 使 衬 底 的 选 择受到很大限制，但它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15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，

9、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

10、 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 相 应的质量流量计和控制阀来决定。16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 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 点是 试 样 容 易 装 卸，工 艺 条 件 易 于 控 制，工艺重复性好。封闭型把 一 定 量 的 反

11、 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17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 原理 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

12、 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18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 成固 体 粒 子。由 于 这 些 固 体 粒 子 的 聚 集 可 能 阻 塞 排 气 系 统 而 导 致 反 应 器 压 力的 突 变，进 而 形 成 固 体 粒 子 的 反 扩 散，影 响 涂 层 的 生 长 质 量 和 均 匀 性，因此，在排气系统的设计中应充分予以注意。19热化学气相沉积加热方式1、电阻加热2、高频感应加热3、红外加热4、激光加热视不同反应温度，选择不同的加热方式，要领是对基片局部加热20