化学气相沉积CVDppt课件

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1、 上海交通大学上海交通大学化学气相沉积（化学气相沉积（化学气相沉积（化学气相沉积（CVDCVD）SEIEESEIEE 化学气相沉积的基本原理化学气相沉积的基本原理 化学气相沉积的特点化学气相沉积的特点 CVD方法简介方法简介 低压化学气相沉积（低压化学气相沉积（LPCVD）等离子体化学气相沉积等离子体化学气相沉积 其他其他CVD方法方法SEIEESEIEE概念概念 化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）是一种化学气相生长法。）是一种化学气相生长法。把把含含有有构构成成薄薄膜膜元元素素的的一一种种或或几几种种化化合合物物的的单单质质气气体体供供给给基基片片，利利用用加加热热、等等离离子子体体、紫紫

2、外外光光以以及及激激光光等等能能源源，借借助助气气相相作作用用或或在在基基板板表表面面的的化化学学反反应应（热分解或化学合成）生长形成固态的薄膜（热分解或化学合成）生长形成固态的薄膜。CVD法法可可制制备备薄薄膜膜、粉粉末末、纤纤维维等等材材料料，用用于于很很多多领领域域，如如半半导导体体工工业业、电电子子器件、光子及光电子工业等。器件、光子及光电子工业等。SEIEESEIEE CVD法法实实际际上上很很早早就就有有应应用用，用用于于材材料料精精制制、装装饰饰涂涂层层、耐氧化涂层、耐腐蚀涂层等。耐氧化涂层、耐腐蚀涂层等。CVD法法一一开开始始用用于于硅硅、锗锗精精制制上上，随随后后用用于于适适

3、合合外外延延生生长法制作的材料上。长法制作的材料上。表表面面保保护护膜膜一一开开始始只只限限于于氧氧化化膜膜、氮氮化化膜膜等等，之之后后添添加加了了由由、族族元元素素构构成成的的新新的的氧氧化化膜膜，最最近近还还开开发发了了金金属属膜膜、硅化物膜等。硅化物膜等。以以上上这这些些薄薄膜膜的的CVD制制备备法法为为人人们们所所注注意意。CVD法法制制备备的的多多晶晶硅硅膜膜在在器器件件上上得得到到广广泛泛应应用用，这这是是CVD法法最最有有效效的的应应用场所。用场所。SEIEESEIEECVD法发展历程法发展历程 1880s，第一次应用于白炽灯，提高灯丝强度；，第一次应用于白炽灯，提高灯丝强度；同

4、时诞生许多专利同时诞生许多专利 接下来接下来50年，发展较慢，主要用于高纯难熔金年，发展较慢，主要用于高纯难熔金属的制备，如属的制备，如Ta、Ti、Zr等等 二战末期，发展迅速二战末期，发展迅速 1960年，用于半导体工业年，用于半导体工业 1963年，等离子体年，等离子体CVD用于电子工业用于电子工业 1968年，年，CVD碳化物涂层用于工业应用碳化物涂层用于工业应用 1980s,CVD法制备法制备DLC膜膜 1990s，金属，金属-有机有机CVD快速发展快速发展SEIEESEIEE CVD可以制备单晶、多相或非晶态无机薄膜，以及金可以制备单晶、多相或非晶态无机薄膜，以及金刚石薄膜、高刚石薄

5、膜、高Tc超导薄膜、透明导电薄膜以及某些敏感功能超导薄膜、透明导电薄膜以及某些敏感功能薄膜。薄膜。CVD技术分类技术分类:按淀积温度按淀积温度：低温（：低温（200500）、中温（）、中温（500 500 1000）和高温（）和高温（1000 1300）按反应器内的压力按反应器内的压力：常压和低压：常压和低压按反应器壁的温度按反应器壁的温度：热壁和冷壁：热壁和冷壁按反应激活方式按反应激活方式：热激活和冷激活：热激活和冷激活SEIEESEIEECVD装装置置的的主主要要部部分分：反反应应气气体体输输入入部部分分、反反应应激激活活能能源源供供应应部部分分和和气气体体排排出出部分部分。SEIEESE

6、IEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理 化学气相沉积的基本原理化学气相沉积的基本原理q 化学气相沉积的基本原理是以化学气相沉积的基本原理是以化学反应化学反应为基础为基础 化化学学气气相相沉沉积积是是利利用用气气态态物物质质通通过过化化学学反反应应在在基基片片表表面形成面形成固态薄膜固态薄膜的一种成膜技术。的一种成膜技术。化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）Chemical Vapor Deposition CVD反反应应是是指指反反应应物物为为气气体体而而生生成成物物之之一一为为固固体体的的化化学反应。学反应。CVD完全不同于物理气相沉积（完全不同于物理气相沉积（PVD

7、）SEIEESEIEEq CVD和和PVD化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理 最最常常见见的的几几种种CVD反反应应类类型型有有：热热分分解解反反应应、化化学学合合成、化学输运反应成、化学输运反应等。等。q 热分解反应（吸热反应，单一气源）热分解反应（吸热反应，单一气源）通式：通式：主主要要问问题题是是源源物物质质的的选选择择（固固相相产产物物与与薄薄膜膜材材料料相相同同）和和确定分解温度确定分解温度。该该方方法法在在简简单单的的单单温温区区炉炉中中，在在真真空空或或惰惰性性气气体体保保护护下下加

8、加热热基基体体至至所所需需温温度度后后，导导入入反反应应物物气气体体使使之之发发生生热热分分解解，最后在基体上沉积出固体涂层。最后在基体上沉积出固体涂层。SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理（1）氢化物）氢化物 H-H键能小，热分解温度低，产物无腐蚀性。键能小，热分解温度低，产物无腐蚀性。（2）金属有机化合物）金属有机化合物 M-C键能小于键能小于C-C键，广泛用于沉积金属和氧化物薄膜。键，广泛用于沉积金属和氧化物薄膜。金金属属有有机机化化合合物物的的分分解解温温度度非非常常低低，扩扩大大了了基基片片选选择择范范围以及避免了基片变形问题。围以及避免了基片

9、变形问题。三异丙氧基铝三异丙氧基铝 SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理（3）氢化物和金属有机化合物系统）氢化物和金属有机化合物系统 广泛用于制备化合物半导体薄膜。广泛用于制备化合物半导体薄膜。（4）其它气态络合物、复合物（贵金属、过渡金属沉积）其它气态络合物、复合物（贵金属、过渡金属沉积）羰基化合物：羰基化合物：单氨络合物：单氨络合物：SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理q 化学合成反应（两种或两种以上气源）化学合成反应（两种或两种以上气源）化化学学合合成成反反应应是是指指两两种种或或两两种种以以上上的的气气态态

10、反反应应物物在在热热基片上发生的相互反应。基片上发生的相互反应。(1)最最常常用用的的是是氢氢气气还还原原卤卤化化物物来来制制备备各各种种金金属属或或半半导导体薄膜；体薄膜；(2)选选用用合合适适的的氢氢化化物物、卤卤化化物物或或金金属属有有机机化化合合物物来来制制备各种介质薄膜。备各种介质薄膜。化学合成反应法比热分解法的应用范围更加广泛。化学合成反应法比热分解法的应用范围更加广泛。可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。容易进行掺杂。可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。容易进行掺杂。SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理还原或置换反应还原或置换反应 氧化或氮化反应氧化或

11、氮化反应 水解反应水解反应 原则上可制备任一种无机薄膜。原则上可制备任一种无机薄膜。SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理q 化学输运反应化学输运反应 将将薄薄膜膜物物质质作作为为源源物物质质（无无挥挥发发性性物物质质），借借助助适适当当的的气气体体介介质质（输输运运剂剂）与与之之反反应应而而形形成成气气态态化化合合物物，这这种种气气态态化化合合物物经经过过化化学学迁迁移移或或物物理理输输运运到到与与源源区区温温度度不不同同的的沉沉积积区区，在在基基片片上上再再通通过过逆逆反反应应使使源源物物质质重重新新分分解解出出来来，这种反应过程称为化学输运反应。这种

12、反应过程称为化学输运反应。源区源区沉积区沉积区源区源区沉积区沉积区源区源区沉积区沉积区SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理化学输运反应条件：化学输运反应条件：不能太大；不能太大；平衡常数平衡常数KP接近于接近于1。化学输运反应判据：化学输运反应判据：设设源源为为A（固固态态），输输运运剂剂为为XB(气气体体化化合合物物，输运反应通式为：输运反应通式为：源区源区沉积区沉积区SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理 根根据据热热力力学学分分析析可可以以指指导导选选择择化化学学反反应应系系统统，估计输运温度。估计输运温度。首

13、首先先根根据据选选择择的的反反应应体体系系，确确定定 与与温温度度的的关关系系，选选择择 的的反反应应体体系系。如如果果条条件件满满足足，说说明明所所选选反反应应体体系系是是合合适适的的。大大于于0的的温温度度T1（源源区区温温度度）；小小于于0的的温温度度T2（沉沉积积区温度）区温度）。根根据据以以上上分分析析，确确定定合合适适的的温温度度梯梯度度，可可得得有有效输运。效输运。SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理CVD法的共同特点：法的共同特点：1、反应式总可写成、反应式总可写成2、这些反应是可逆的，对过程作必要的热力学分析、这些反应是可逆的，对过程作

14、必要的热力学分析有助于了解有助于了解CVD反应的过程。反应的过程。SEIEESEIEEq CVD的化学反应热力学的化学反应热力学 CVD热热力力学学分分析析的的主主要要目目的的是是预预测测某某些些特特定定条条件件下下某某些些CVD反反应应的的可可行行性性（化化学学反反应应的的方方向向和和限限度度）。）。在在温温度度、压压强强和和反反应应物物浓浓度度给给定定的的条条件件下下，热热力力学学计计算算能能从从理理论论上上给给出出沉沉积积薄薄膜膜的的量量和和所所有有气气体体的分压，但是不能给出沉积速率。的分压，但是不能给出沉积速率。热力学分析可作为确定热力学分析可作为确定CVD工艺参数的参考。工艺参数的

15、参考。化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理 （1）化学反应的自由能变化）化学反应的自由能变化 按按热热力力学学原原理理，化化学学反反应应的的自自由由能能变变化化Gr可可以以用反应物和生成物的标准自由能用反应物和生成物的标准自由能Gf来计算，即来计算，即对于化学反应对于化学反应aA+bB=cC其自由能变化其自由能变化Gr=cGc-bGb-aGaSEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理 与反应系统的化学平衡常数与反应系统的化学平衡常数K有关有关 例：热分解反应例：热分

16、解反应反应物过饱和而产物欠饱和时，反应物过饱和而产物欠饱和时，Gr0,反应反应可正向进行，反之，沿反向进行。可正向进行，反之，沿反向进行。SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理（2）化学反应路线的选择）化学反应路线的选择稳定的单晶生长条件要求只引入一个生长核心，同稳定的单晶生长条件要求只引入一个生长核心，同时抑制其他生长核心的形成。时抑制其他生长核心的形成。需满足条件：需满足条件：GrD/时，扩散控制的沉积过程；时，扩散控制的沉积过程；当当ksD/时，表面反应控制的沉积过程。时，表面反应控制的沉积过程。SEIEESEIEE反应导致的沉积速率反应导致的沉积速

17、率沉积速率随温度的变化取决于沉积速率随温度的变化取决于ks,D,。总体来讲，低温时，总体来讲，低温时，R由衬底表面的反应速率（由衬底表面的反应速率（ks）所控制，）所控制，其变化趋势受其变化趋势受e-E/RT项的影响；高温时，沉积速率受气相扩散系项的影响；高温时，沉积速率受气相扩散系数数D控制，随温度变化趋于缓慢。控制，随温度变化趋于缓慢。一般情况，表面化学反应控制型一般情况，表面化学反应控制型CVD过程的沉积速率随过程的沉积速率随温度升高而加快；温度升高而加快；有些特别情况，沉积速率会随温度升高而有些特别情况，沉积速率会随温度升高而先升高后下降，原因在于先升高后下降，原因在于化学反应的可逆性

18、。化学反应的可逆性。（N0 表面原子密度）表面原子密度）SEIEESEIEE（a）反应在正向为放热反应，净反应速率随温度上升出现）反应在正向为放热反应，净反应速率随温度上升出现最大值。温度持续升高会导致逆向反应速度超过正向反应速最大值。温度持续升高会导致逆向反应速度超过正向反应速度，薄膜沉积变为刻蚀的过程。温度过高不利于反应产物的度，薄膜沉积变为刻蚀的过程。温度过高不利于反应产物的沉积。沉积。（b）反应在正向为吸热反应，正反应激活能较高，净反）反应在正向为吸热反应，正反应激活能较高，净反应速率随温度升高单调上升。温度过低不利于反应产物应速率随温度升高单调上升。温度过低不利于反应产物的沉积。的沉

19、积。相应地，在薄膜沉积室设计方面形成了热壁式和冷壁式的两种相应地，在薄膜沉积室设计方面形成了热壁式和冷壁式的两种CVD装置，以减少反应产物在器壁上的不必要的沉积。装置，以减少反应产物在器壁上的不必要的沉积。SEIEESEIEE（7）CVD薄膜沉积速率的均匀性薄膜沉积速率的均匀性模型模型:Si在衬底上沉积生长时的在衬底上沉积生长时的CVD过程过程SEIEESEIEE提高薄膜沉积均匀性的措施：提高薄膜沉积均匀性的措施：（1）提高气体流速与装置的尺寸；）提高气体流速与装置的尺寸；（2）调整装置内的温度分布，从而影响扩散系数）调整装置内的温度分布，从而影响扩散系数D的分布；的分布；（3）改变衬底的放置

20、角度，客观上强制提高气体的流动速）改变衬底的放置角度，客观上强制提高气体的流动速度。度。在有孔、槽等凹陷的复杂形状衬底表面，薄膜沉积会发生在有孔、槽等凹陷的复杂形状衬底表面，薄膜沉积会发生一定程度的养分贫化现象，导致凹陷内薄膜沉积速率低于一定程度的养分贫化现象，导致凹陷内薄膜沉积速率低于凹陷外薄膜沉积速率。凹陷外薄膜沉积速率。CVD过程中化学基团的凝聚系数越过程中化学基团的凝聚系数越低，薄膜对衬底的覆盖能力越好。低，薄膜对衬底的覆盖能力越好。SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积基本原理基本原理基本原理基本原理q CVD法制备薄膜过程（四个阶段）法制备薄膜过程（四个阶段）（1）反应气体向

21、基片表面扩散；）反应气体向基片表面扩散；（2）反应气体吸附于基片表面；）反应气体吸附于基片表面；（3）在基片表面发生化学反应；）在基片表面发生化学反应；（4）在在基基片片表表面面产产生生的的气气相相副副产产物物脱脱离离表表面面，向向空空间间扩扩散散或或被被抽抽气气系系统统抽抽走走；基基片片表表面面留留下下不不挥挥发发的的固固相相反应产物反应产物薄膜。薄膜。CVD基基本本原原理理包包括括：反反应应化化学学、热热力力学学、动动力力学学、输输运过程、薄膜成核与生长、反应器工程等学科领域。运过程、薄膜成核与生长、反应器工程等学科领域。SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积特点特点特点特点 化学气

22、相沉积的特点化学气相沉积的特点化学气相沉积的特点化学气相沉积的特点q 优点优点 即可制作金属、非金属薄膜，又可制作多组分合金薄膜；即可制作金属、非金属薄膜，又可制作多组分合金薄膜；成膜速率高，可批量制备成膜速率高，可批量制备；（几微米至几百微米几微米至几百微米/min）CVD反应可在常压或低真空进行，绕射性能好；反应可在常压或低真空进行，绕射性能好；薄膜纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好；薄膜纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好；薄膜生长温度低于材料的熔点；薄膜生长温度低于材料的熔点；薄膜表面平滑；薄膜表面平滑；辐射损伤小，用于辐射损伤小，用于MOS半导体器件半导体器件SEIEESEIE

23、Eq 缺点缺点 参参与与沉沉积积的的反反应应源源和和反反应应后后的的气气体体易易燃燃、易易爆爆或或有有毒毒，需需环环保保措措施施，有有时时还还有有防防腐腐蚀蚀要求；要求；反反应应温温度度还还是是太太高高，尽尽管管低低于于物物质质的的熔熔点点；温度高于温度高于PVD技术，应用中受到一定限制；技术，应用中受到一定限制；对对基基片片进进行行局局部部表表面面镀镀膜膜时时很很困困难难，不不如如PVD方便。方便。化学气相沉积化学气相沉积特点特点特点特点SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积CVDCVDCVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介 CVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介q CVD

24、反应体系必须具备三个条件反应体系必须具备三个条件 在在沉沉积积温温度度下下，反反应应物物具具有有足足够够高高的的蒸蒸气气压压，并并能能以适当的速度被引入反应室；以适当的速度被引入反应室；反反应应产产物物除除了了形形成成固固态态薄薄膜膜物物质质外外，都都必必须须是是挥挥发发性的；性的；沉沉积积薄薄膜膜和和基基体体材材料料必必须须具具有有足足够够低低的的蒸蒸气气压压，以以保证在反应中能保持在受热的基体上，不会挥发。保证在反应中能保持在受热的基体上，不会挥发。SEIEESEIEEq 开口体系开口体系CVD 包包括括：气气体体净净化化系系统统、气气体体测测量量和和控控制制系系统统、反反应应器、尾气处理

25、系统、抽气系统等。器、尾气处理系统、抽气系统等。卧式：卧式：化学气相沉积化学气相沉积CVDCVDCVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介SEIEESEIEE感应感应加热加热化学气相沉积化学气相沉积CVDCVDCVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介SEIEESEIEE 冷冷壁壁CVD：器器壁壁和和原原料料区区都都不不加加热热，仅仅基基片片被被加加热热，沉沉积积区区一一般般采采用用感感应应加加热热或或光光辐辐射射加加热热。缺缺点点是是有有较较大大温差温差，温度均匀性问题需特别设计来克服。温度均匀性问题需特别设计来克服。适适合合反反应应物物在在室室温温下下是是气气体体或或具具有有较较高高蒸

26、蒸气气压压的的液液体体。热热壁壁CVD：器器壁壁和和原原料料区区都都是是加加热热的的，反反应应器器壁壁加加热热是是为为了了防防止止反反应应物物冷冷凝凝。管管壁壁有有反反应应物物沉沉积积，易易剥剥落落造成污染。造成污染。化学气相沉积化学气相沉积CVDCVDCVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介SEIEESEIEE开口体系开口体系CVDCVD工艺的特点工艺的特点能连续地供气和排气，能连续地供气和排气，物料的运输一般是靠惰性气体来物料的运输一般是靠惰性气体来实现的。实现的。反应总处于非平衡状态反应总处于非平衡状态，而有利于形成薄膜沉，而有利于形成薄膜沉积层（至少有一种反应产物可连续地从反应区排

27、出）。积层（至少有一种反应产物可连续地从反应区排出）。在大多数情况下，开口体系是在一个大气压或稍高于一在大多数情况下，开口体系是在一个大气压或稍高于一个大气压下进行的。个大气压下进行的。但也可在真空下连续地或脉冲地供但也可在真空下连续地或脉冲地供气及不断地抽出副产物。有利于沉积厚度均匀的薄膜。气及不断地抽出副产物。有利于沉积厚度均匀的薄膜。开口体系的沉积工艺容易控制，工艺重现性好，工件容开口体系的沉积工艺容易控制，工艺重现性好，工件容易取放，同一装置可反复多次使用。易取放，同一装置可反复多次使用。有有立式和卧式立式和卧式两种形式。两种形式。卧式反应器特点：常压操作；装、卸料方便。但是薄膜卧式反

28、应器特点：常压操作；装、卸料方便。但是薄膜的均匀性差。的均匀性差。化学气相沉积化学气相沉积CVDCVDCVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介SEIEESEIEE立式反应器：立式反应器：气流垂直于基体，可使气流以基板为中心均匀分布。气流垂直于基体，可使气流以基板为中心均匀分布。基片支架为旋转圆盘，可基片支架为旋转圆盘，可保证反应气体混合均匀，保证反应气体混合均匀，沉积薄膜的厚度、成分及沉积薄膜的厚度、成分及杂质分布均匀。杂质分布均匀。化学气相沉积化学气相沉积CVDCVDCVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积CVDCVDCVDCVD方法简介方

29、法简介方法简介方法简介能对大量基片进行外延生长，批量沉积薄膜能对大量基片进行外延生长，批量沉积薄膜SEIEESEIEE沉积区域为球形，沉积区域为球形，基片受热均匀，反基片受热均匀，反应气体均匀供给；应气体均匀供给；产品的均匀性好，产品的均匀性好，膜层厚度一致，质膜层厚度一致，质地均匀。地均匀。化学气相沉积化学气相沉积CVDCVDCVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介SEIEESEIEEq 封闭式（闭管沉积系统）封闭式（闭管沉积系统）CVD（热壁法）（热壁法）把一定量的反应物和适当把一定量的反应物和适当的基体分别放在反应器的两的基体分别放在反应器的两端，抽空后充入一定的输运端，抽空后充入一

30、定的输运气体，然后密封，再将反应气体，然后密封，再将反应器置于双温区炉内，使反应器置于双温区炉内，使反应管内形成温度梯度。管内形成温度梯度。温度梯度造成的负自由能温度梯度造成的负自由能变化是传输反应的推动力，变化是传输反应的推动力，所以物料从闭管的一端传输所以物料从闭管的一端传输到另一端并沉积下来。在理到另一端并沉积下来。在理想情况下，闭管反应器中所想情况下，闭管反应器中所进行的反应其平衡常数值应进行的反应其平衡常数值应接近于接近于1。化学气相沉积化学气相沉积CVDCVDCVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介SEIEESEIEE温度梯度温度梯度2.5/cm/cm低温区低温区T1=T2-1

31、3.5高温区高温区T2=850860例例化学气相沉积化学气相沉积CVDCVDCVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介SEIEESEIEE 闭闭管管法法的的优优点点：污污染染的的机机会会少少，不不必必连连续续抽抽气气保保持持反反应应器器内内的的真真空空，可可以以沉沉积积蒸蒸气气压压高高的物质。的物质。闭闭管管法法的的缺缺点点：材材料料生生长长速速率率慢慢，不不适适合合大大批批量量生生长长，一一次次性性反反应应器器，生生长长成成本本高高；管管内压力检测困难等。内压力检测困难等。闭闭管管法法的的关关键键环环节节：反反应应器器材材料料选选择择、装装料压力计算、温度选择和控制等。料压力计算、温度选择

32、和控制等。化学气相沉积化学气相沉积CVDCVDCVDCVD方法简介方法简介方法简介方法简介SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积LPCVDLPCVDLPCVDLPCVD 低压化学气相沉积（低压化学气相沉积（低压化学气相沉积（低压化学气相沉积（LPCVDLPCVD）q LPCVD原理原理 早早 期期 CVD技技 术术 以以 开开 管管 系系 统统 为为 主主，即即Atmosphere Pressure CVD(APCVD)。近近年年来来，CVD技技术术令令人人注注目目的的新新发发展展是是低低压压CVD技术，即技术，即Low Pressure CVD（LPCVD）。）。LPCVD原原理理于于

33、APCVD基基本本相相同同，主主要要差差别别是是：低低压压下下气气体体扩扩散散系系数数增增大大，使使气气态态反反应应物物和和副副产产物物的的质质量量传传输输速速率率加加快快，形形成成薄薄膜膜的的反反应应速速率增加。率增加。SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积LPCVDLPCVDLPCVDLPCVDSEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积LPCVDLPCVDLPCVDLPCVDSEIEESEIEEq LPCVD优点优点 （1）低低气气压压下下气气态态分分子子的的平平均均自自由由程程增增大大，反反应应装装置置内内可可以以快快速速达达到到浓浓度度均均一一，消消除除了了由由气气相相浓浓度度

34、梯梯度度带带来来的的薄薄膜膜不不均均匀性。匀性。（2）薄薄膜膜质质量量高高：薄薄膜膜台台阶阶覆覆盖盖良良好好；结结构构完完整整性性好好；针针孔较少。孔较少。（3）沉沉积积速速率率高高。沉沉积积过过程程主主要要由由表表面面反反应应速速率率控控制制，对对温温度度变变化化极极为为敏敏感感，所所以以，LPCVD技技术术主主要要控控制制温温度度变变量量。LPCVD工艺重复性优于工艺重复性优于APCVD。（4）卧式）卧式LPCVD装片密度高，生产效率高，生产成本低。装片密度高，生产效率高，生产成本低。化学气相沉积化学气相沉积LPCVDLPCVDLPCVDLPCVDSEIEESEIEEq LPCVD在微电子

35、技术中的应用在微电子技术中的应用 广广泛泛用用于于沉沉积积掺掺杂杂或或不不掺掺杂杂的的氧氧化化硅硅、氮氮化化硅硅、多多晶晶硅硅、硅硅化化物物薄薄膜膜，-族族化化合合物物薄薄膜膜以以及及钨钨、钼钼、钽钽、钛等难熔金属薄膜。钛等难熔金属薄膜。化学气相沉积化学气相沉积LPCVDLPCVDLPCVDLPCVDSEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积等离子等离子等离子等离子CVDCVDCVDCVD 等离子化学气相沉积等离子化学气相沉积等离子化学气相沉积等离子化学气相沉积 在在普普通通CVD技技术术中中，产产生生沉沉积积反反应应所所需需要要的的能能量量是是各各种种方方式式加加热热衬衬底底和和反反应应气

36、气体体，因因此此，薄薄膜膜沉沉积积温温度度一一般般较高（多数在较高（多数在9001000）。u 容容易易引引起起基基板板变变形形和和组组织织上上的的变变化化，容容易易降降低低基基板板材材料的机械性能；料的机械性能；u 基基板板材材料料与与膜膜层层材材料料在在高高温温下下会会相相互互扩扩散散，形形成成某某些些脆性相，降低了两者的结合力。脆性相，降低了两者的结合力。SEIEESEIEE 如如果果能能在在反反应应室室内内形形成成低低温温等等离离子子体体（如如辉辉光光放放电电），则则可可以以利利用用在在等等离离子子状状态态下下粒粒子子具具有有的的较较高高能能量量，为为化化学学气相反应提供所需的激活能，

37、使沉积温度降低。气相反应提供所需的激活能，使沉积温度降低。这这种种等等离离子子体体参参与与的的化化学学气气相相沉沉积积称称为为等等离离子子化化学学气气相相沉沉积积。用用来来制制备备化化合合物物薄薄膜膜、非非晶晶薄薄膜膜、外外延延薄薄膜膜、超导薄膜等，特别是超导薄膜等，特别是IC技术中的表面钝化和多层布线。技术中的表面钝化和多层布线。等离子化学气相沉积：等离子化学气相沉积：Plasma CVDPlasma Associated CVDPlasma Enhanced CVD这里称这里称PECVD化学气相沉积化学气相沉积等离子等离子等离子等离子CVDCVDCVDCVDSEIEESEIEE PECVD

38、是是指指利利用用辉辉光光放放电电的的物物理理作作用用来来激激活活化化学学气气相相沉沉积积反反应应的的CVD技技术术。它它既既包包括括了了化化学学气气相相沉沉积积技技术术，又又有有辉辉光光放放电电的的增增强强作作用用。既既有有热热化化学学反反应应，又又有有等等离离子子体体化化学学反反应应。广广泛泛应应用于微电子学、光电子学、太阳能利用等领域，用于微电子学、光电子学、太阳能利用等领域，按照产生辉光放电等离子方式，可以分为许多类型。按照产生辉光放电等离子方式，可以分为许多类型。直流辉光放电等离子体化学气相沉积（直流辉光放电等离子体化学气相沉积（DC-PCVD）射频辉光放电等离子体化学气相沉积（射频辉

39、光放电等离子体化学气相沉积（RF-PCVD）微波等离子体化学气相沉积（微波等离子体化学气相沉积（MW-PCVD）电电子子回回旋旋共共振振等等离离子子体体化化学学气气相相沉沉积积（ECR-PCVD）化学气相沉积化学气相沉积等离子等离子等离子等离子CVDCVDCVDCVDSEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积等离子等离子等离子等离子CVDCVDCVDCVDSEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积等离子等离子等离子等离子CVDCVDCVDCVDSEIEESEIEE等离子体在等离子体在CVD中的作用：中的作用：将反应物气体分子激活成活性离子，降低反应温度；将反应物气体分子激活成活性离子，降低

40、反应温度；加速反应物在表面的扩散作用，提高成膜速率；加速反应物在表面的扩散作用，提高成膜速率；对对基基片片和和薄薄膜膜具具有有溅溅射射清清洗洗作作用用，溅溅射射掉掉结结合合不不牢牢的的粒子，提高了薄膜和基片的附着力；粒子，提高了薄膜和基片的附着力；由由于于原原子子、分分子子、离离子子和和电电子子相相互互碰碰撞撞，使使形形成成薄薄膜膜的厚度均匀。的厚度均匀。化学气相沉积化学气相沉积等离子等离子等离子等离子CVDCVDCVDCVDSEIEESEIEEPECVD的优点：的优点：低低温温成成膜膜（300-350），对对基基片片影影响响小小，避避免免了了高高温温带来的膜层晶粒粗大及膜层和基片间形成脆性相

41、；带来的膜层晶粒粗大及膜层和基片间形成脆性相；低低压压下下形形成成薄薄膜膜，膜膜厚厚及及成成分分较较均均匀匀、针针孔孔少少、膜膜层层致密、内应力小，不易产生裂纹；致密、内应力小，不易产生裂纹；扩扩大大了了CVD应应用用范范围围，特特别别是是在在不不同同基基片片上上制制备备金金属属薄膜、非晶态无机薄膜、有机聚合物薄膜等；薄膜、非晶态无机薄膜、有机聚合物薄膜等；薄膜的附着力大于普通薄膜的附着力大于普通CVD。化学气相沉积化学气相沉积等离子等离子等离子等离子CVDCVDCVDCVDSEIEESEIEEPECVD的缺点：的缺点：化学反应过程十分复杂，影响薄膜质量的因素较多；化学反应过程十分复杂，影响薄

42、膜质量的因素较多；工工作作频频率率、功功率率、压压力力、基基板板温温度度、反反应应气气体体分分压压、反反应应器器的的几几何何形形状状、电电极极空空间间、电电极极材材料料和和抽抽速速等等相相互互影响。影响。参数难以控制；参数难以控制；反应机理、反应动力学、反应过程等还不十分清楚。反应机理、反应动力学、反应过程等还不十分清楚。化学气相沉积化学气相沉积等离子等离子等离子等离子CVDCVDCVDCVDSEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积其它其它其它其它CVDCVDCVDCVD方法方法方法方法 其它化学气相沉积方法其它化学气相沉积方法其它化学气相沉积方法其它化学气相沉积方法（1）MOCVD 是是

43、一一种种利利用用有有机机金金属属化化合合物物的的热热分分解解反反应应进进行行气气相相外外延延生长薄膜的生长薄膜的CVD技术。技术。作为含有化合物半导体元素的原料化合物必须满足：作为含有化合物半导体元素的原料化合物必须满足：常温下稳定且容易处理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；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室温附近应具有适当的蒸气压SEIEESEIEE 满满足足此此条条件件的的原原材材料料有有：金金属属的的烷烷基基或或芳芳基基衍衍生生物物、烃烃基基衍生物、乙酰丙酮基化合物、羰基化合物衍生物、乙酰丙酮基化合物、羰基化合物M

44、OCVD（金属有机化学气相沉积）的优点：（金属有机化学气相沉积）的优点：沉沉积积温温度度低低。减减少少了了自自污污染染，提提高高了了薄薄膜膜纯纯度度，有有利利于于降降低低空位密度和解决自补偿问题；对衬底取向要求低；空位密度和解决自补偿问题；对衬底取向要求低；沉积过程不存在刻蚀反应，沉积速率易于控制；沉积过程不存在刻蚀反应，沉积速率易于控制；几乎可以生长所有化合物和合金半导体；几乎可以生长所有化合物和合金半导体；反反应应装装置置容容易易设设计计，生生长长温温度度范范围围较较宽宽，易易于于控控制制，可可大大批批量生产；量生产；可在蓝宝石、尖晶石基片上实现外延生长可在蓝宝石、尖晶石基片上实现外延生长

45、化学气相沉积化学气相沉积其它其它其它其它CVDCVDCVDCVD方法方法方法方法SEIEESEIEEMOCVD的主要缺点：的主要缺点：许许多多金金属属有有机机化化合合物物有有毒毒、易易燃燃，给给有有机机金金属属化化合合物物的的制制备备、贮贮存存、运运输输和和使使用用带带来来困困难难，必必须须采采取取严严格格的的防防护措施；护措施；由由于于反反应应温温度度低低，有有些些金金属属有有机机化化合合物物在在气气相相中中就就发发生生反反应应，生生成成固固态态微微粒粒再再沉沉积积在在衬衬底底表表面面，形形成成薄薄膜膜中中的的杂质颗粒，破坏了膜的完整性。杂质颗粒，破坏了膜的完整性。化学气相沉积化学气相沉积其

46、它其它其它其它CVDCVDCVDCVD方法方法方法方法SEIEESEIEE化学气相沉积化学气相沉积其它其它其它其它CVDCVDCVDCVD方法方法方法方法(2)光光CVD 是是利利用用光光能能使使气气体体分分解解，增增加加反反应应气气体体的的化化学学活活性性，促促进气体之间化学反应的化学气相沉积技术。进气体之间化学反应的化学气相沉积技术。(3)电子回旋共振（电子回旋共振（ECR）等离子体沉积）等离子体沉积 在在反反应应室室内内导导入入微微波波能能和和磁磁场场，使使得得电电子子的的回回旋旋运运动动和和微微波波发发生生共共振振现现象象。电电子子和和气气体体碰碰撞撞，促促进进放放电电，从从而而可可以以在在较高的真空度和较低的温度下发生反应，获得高质量的薄膜。较高的真空度和较低的温度下发生反应，获得高质量的薄膜。可可在在半半导导体体基基板板上上淀淀积积导导电电薄薄膜膜，绝绝缘缘介介质质薄薄膜膜，钴钴镍镍合金薄膜以及氧化物高合金薄膜以及氧化物高Tc超导薄膜。超导薄膜。SEIEESEIEE1.CVD装置的结构主要包括哪几部分？装置的结构主要包括哪几部分？2.什么是开管什么是开管CVD？什么是闭管什么是闭管CVD？特点是什么？特点是什么？3.什么是低压什么是低压CVD和等离子和等离子CVD？作业作业作业作业谢谢！谢谢！