第五章-气相沉积法.ppt

第五章气相沉积法,1,第一节概述一、气相沉积技术(vapordeposition)通过气态物质或使材料气化后，使其沉积于固体材料或制品（基片）表面并形成固态沉积物的技术。,2,二、气相沉积技术类型：2.1物理气相沉积：（PVD)(1)蒸发冷凝(2)溅射镀膜(3)离子镀膜2.2化学气相沉积：(CVD)(1)常压、低压CVD(APCVD,LPCVD)(2)等离子辅助CVD(PCVD)(3)激光（电子束）辅助CVD(LCVD)(4)有机金属化合物CVD(MOCVD),3,4,原材料被加热至蒸发温度时蒸发成气相；气相的原材料原子与惰性气体的原子（或分子）碰撞，迅速降低能量而骤然冷却；骤冷使得原材料的蒸汽中形成很高的局域过饱和，有利于成核；形成原子簇，然后继续生长成纳米微晶在收集器上收集,三、物理气相沉积,3.1蒸发-冷凝法基本原理,3.2特点,在高真空的条件下，金属试样经蒸发后冷凝。高纯度；粒径分布窄；良好结晶和清洁表面；粒度易于控制,5,电阻加热方式等离子体加热方式激光加热方式电子束加热方式高频感应加热方式,3.3能量输入方式,6,第二节化学气相沉积法,化学气相沉积(CVD)的发展CVD基本原理CVD的特点CVD工艺及设备CVD系统的分类,7,一、化学气相沉积发展,古人类在取暖或烧烤时在岩洞壁或岩石上的黑色碳层,20世纪50年代主要用于道具涂层,80年代低压CVD成膜技术成为研究热潮,近年来PECVD、LCVD等高速发展,20世纪60-70年代用于集成电路,二、CVD基本原理,1.化学气相沉积的定义利用气态物质通过化学反应在基材表面形成固态沉积物的一种技术。化学气相沉积（CVD）ChemicalVaporDepositionCVD反应范指反应物为气体而生成物之一为固体的化学反应。,9,2.化学气相沉积工艺及设备,气相反应室,加热系统,气体控制系统,排气系统,CVD装置,3.CVD反应体系必须具备三个条件,3.1CVD化学反应方式：1）反应气体间的反应；2）气相与基体表面间的反应3.2条件原料：反应物具有较高的蒸气压；产物：反应副产物易于挥发；反应类型：反应易于控制,11,反应气体被输送到反应室内反应气体向基片表面扩散；反应气体吸附于基片表面；在基片表面发生化学反应；气相副产物脱离基片表面CVD反应速率取决于最慢的步骤,12,4.CVD基本过程浓度边界层模型：,13,反应气体以合理的流速被输送到反应室内，气流从入口进入反应室并以平流形式（主气流区，气体流速不变）向出口流动；反应气体从主气流区以扩散方式通过边界层到达衬底表面，边界层是主气流区与基片表面之间气流速度受到扰动的气体薄层；反应气体被吸附在硅片的表面，成为吸附原子(分子)吸附原子(分子)在衬底表面发生化学反应；化学反应的气态副产物和未反应的反应气体离开衬底表面，进入主气流区被排出系统。,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,14,5.常见CVD反应类型,5.1热分解反应（吸热反应）在真空或惰性气体保护下主要问题：源物质的选择（蒸汽压温度）确定分解温度（不同温度下的产物）,15,热分解反应类型（1）氢化物分解,（2）金属有机化合物分解（M-C键能小于C-C键）,16,（3）氢化物和金属有机化合物系统的热分解,（4）其它气态络合物、复合物的热分解,羰基化合物：,单氨络合物：,17,5.2化学合成反应,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。,18,5.3化学输运反应,将待沉积物作为源物质（无挥发性物质），借助适当的气体介质（输运剂），在高温区反应形成气态化合物；气态化合物经化学迁移或物理输运到低温沉积区，在基片上通过逆反应使源物质重新分解出来。,输运反应通式：源物质为A，输运剂为B,源区T2,沉积区T1,19,温度梯度2.5/cm,低温区T1=T2-13.5,高温区T2=850860,20,三、化学气相沉积的特点,优点,可制作金属、非金属薄膜；生长温度可低于材料的熔点；纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好；易实现掺杂；结构控制,21,缺点,参与沉积的反应源和反应后的气体易燃、易爆或有毒；反应温度太高（尽管低于物质的熔点）；对基片进行局部表面镀膜时很困难,22,4.1反应器结构：水平、直立,23,四、化学气相沉积工艺及设备,气流垂直于基片，气流以基板为中心均匀分布,薄膜的均匀性差,开口体系CVD的特点：,能连续地供气和排气；反应总处于非平衡状态，有利于形成薄膜沉积层；工艺容易控制。,24,4.2开口式、封闭式,封闭式（闭管沉积系统）CVD,原理：把一定量的反应物和适当的基体分别放在反应器的两端，抽空后充入一定的输运气体，密封；将反应器置于双温区炉内，形成温度梯度；温度梯度造成的负自由能变化是传输反应的推动力；物料从闭管的一端传输到另一端并沉积下来。,25,闭管法的特点：优点：污染少；不必连续抽气保持真空，可以沉积蒸气压高的物质,闭管法的缺点：材料生长速率慢，不适合大批量生长；一次性反应器，生长成本高,26,冷壁：器壁和原料区都不加热，仅基片被加热有较大温差；适合反应物在室温下是气体或具有较高蒸气压的液体。,热壁：器壁和原料区加热管壁有反应物沉积，易剥落造成污染。,27,4.3反应室的热源,28,基片温度低，反应速率由表面反应速率控制；基片温度高，反应物及副产物的扩散速率为决定反应速率的主要因素。,（一）低压化学气相沉积（LPCVD）,开管系统：AtmospherePressureCVD(APCVD)。1.1LowPressureCVD（LPCVD）与APCVD差别：低压下气体扩散系数增大；气态反应物和副产物的质量传输速率快；形成薄膜的反应速率增加,29,五、CVD系统的分类,1.2LPCVD特点薄膜质量高低气压下气体浓度能快速达到均一；薄膜结构完整性好；沉积速率较慢沉积过程主要由表面反应速率控制；对温度变化极为敏感LPCVD工艺重复性优于APCVD。,30,（二）等离子化学气相沉积（P-CVD）,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基片和反应气体，薄膜沉积温度一般较高（多数在9002000）。高温CVD缺陷：容易引起基片变形；降低基片的机械性能；基片材料与膜层材料在高温下会相互扩散,31,2.1等离子化学气相沉积（P-CVD）：辉光放电形成低温等离子体激活化学气相沉积反应,32,高能量,2.2等离子体在CVD中的作用：,降低反应温度：将反应物气体分子激活成活性离子；提高成膜速率：加速反应物在表面的扩散作用；提高薄膜和基片的附着力：对基片和薄膜具有溅射清洗作用，溅射掉结合不牢的粒子；薄膜的厚度均匀：由于原子、分子、离子和电子相互碰撞,33,2.3P-CVD的优点：,低温成膜（300-350）：对基片影响小，避免高温带来的膜层晶粒粗大及膜层和基片间形成脆性相；提高薄膜质量：膜厚及成分较均匀、膜层致密扩大CVD应用范围：金属、无机、有机聚合物,34,（三）MOCVD利用有机金属化合物的热分解反应进行气相外延生长薄膜的CVD技术。3.1原料化合物必须满足：,常温下稳定且容易处理反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层；室温附近应具有适当的蒸气压,35,满足此条件的原材料有：金属的烷基或芳基衍生物烃基衍生物乙酰丙酮基化合物羰基化合物,36,3.2MOCVD的优点：沉积温度低：减少了自污染，提高了薄膜纯度；对衬底取向要求低；沉积速率易于控制：沉积过程不存在刻蚀反应；制备广；反应装置容易设计：生长温度范围较宽，易于控制，可大批量生产；,37,3.3MOCVD的主要缺点：,安全问题：杂质：反应温度低，有些金属有机化合物在气相中就发