薄膜材料与技术-7 课件

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1、薄膜材料与技术（7）李美成2006秋季学期1第七章化学气相沉积7.1化学气相沉积的基本原理7.2化学气相沉积的特点7.3CVD方法简介7.4低压化学气相沉积7.5等离子体化学气相沉积7.6金属有机化学气相沉积薄膜材料与技术薄膜材料与技术2化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD（ChemicalVaporDeposition）技术。这种方法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应（热分解或化学合成）生成要求的薄膜。这种化学制膜方法完全不同于物

2、理气相沉积法（PVD），后者是利用蒸镀材料或溅射材料来制备薄膜的。最近也出现了兼备化学气相沉积和物理气相沉积特性的薄膜制备方法，如等离子体气相沉积法等。薄膜材料与技术薄膜材料与技术3由于CVD法是一种化学反应方法，所以可制备多种物质薄膜，如各种单晶、多晶或非晶态无机薄膜，在以LSI为中心的薄膜微电子学领域起着重要作用。特别是近年来采用CVD法研制出金刚石薄膜、高T超导薄膜、透明导电薄膜以c及某些敏感功能薄膜。由于CVD法是利用各种气体反应来组成薄膜，可任意控制薄膜组成。CVD法制膜，其生长温度显著低于薄膜组成物质的熔点，所得膜层均匀性好，

3、具有台阶覆盖性能，适宜于复杂形状的基片。其沉积速率高，膜层针孔少，纯度高、致密，形成晶体的缺陷较少。。薄膜材料与技术薄膜材料与技术4CVD技术可按照沉积温度、反应器内的压力、反应器壁的温度和沉积反应的激活方式分类。（1）按沉积温度，可分为低温（200∼500℃）、中温（500∼1000℃）和高温（1000∼1300℃）CVD；（2）按反应器内的压力，可分为常压和低压；（3）按反应器壁的温度，可分为热壁方式和冷壁方式CVD；（4）按反应激活方式，可分为热激活和等离子体激活CVD等。薄膜材料与技术薄膜材料与技术57.1化学气相沉积的基本原理化

4、学气相沉积的基本原理是建立在化学反应的基础上，习惯上把反应物是气体而生成物之一是固体的反应称为CVD反应。通常认为有以下几种类型的CVD反应（以下各式中的(s)表示固相，(g)表示气相）。热分解反应：AB(g)→A(s)＋B(g)例：SiH→Si＋2H42还原或置换反应：AB(g)＋C(g)→A(s)＋BC(g)例：SiCl＋2H→Si＋4HCl(C为H或金属)422薄膜材料与技术薄膜材料与技术6氧化或氮化反应：AB(g)＋2D(g)→AD(s)＋BD(g)(D为O或N)22例：SiH＋O→SiO＋2H4222水解反应：AB(g)＋2HO

5、H(g)→AO(s)＋2BH(g)2＋HOH(g)例：AlCl＋3CO＋H→AlO＋3HCl＋3CO262223歧化反应：AB(g)→A(s)＋AB(g)2例：2GeI→Ge＋GeI24聚合反应：XA(g)→Ax(s)薄膜材料与技术薄膜材料与技术7上述各种类型的反应，在大多数情况下是依靠热激发，在某些情况下，特别是在放热反应时，基片温度低于进料温度下进行沉积，因此，也可以称之为热CVD。所以，高温是CVD法的一个重要特征。这使得基板材料在选用上受到一定限制。有些化学反应的基片温度为300℃－600℃，也有许多反应要求温度高于600℃，但对

6、有机玻璃，最高只能承受100℃。而且，由于反应发生在基片表面的高温区，气相反应的副产物有可能进入膜内而影响薄膜质量。薄膜材料与技术薄膜材料与技术8CVD法制膜过程，可以分为以下几个主要的阶段：（1）反应气体扩散通过界面层（气体与衬底间界面）；（2）气体分子在薄膜或基片表面的吸附；（3）原子的表面扩散、反应和溶入薄膜晶格中；（4）在基片表面上产生的气相副产物脱离表面而扩散掉或被真空泵抽走，在基片表面留下不挥发的固体反应产物——薄膜。薄膜材料与技术薄膜材料与技术9上述过程是依次进行的，其中最慢的步骤限制了反应速率的大小。可清楚看到CVD的基本

7、原理涉及反应化学、热力学、动力学、输运过程、膜生长现象和反应器工程等多学科范畴。一个过程能否按预期方向进行，可应用物理化学的基本知识，对沉积过程进行热力学分析，找出反应向沉积薄膜方向进行的条件及平衡时能达到的最大产量或转换效率。薄膜材料与技术薄膜材料与技术10下面介绍最常见化学气相沉积反应类型1．热分解反应最简单的沉积反应是化合物的热分解。热分解法一般在简单的单温区炉中，在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后，导入反应物气体使之发生热分解，最后在基体上沉积出固态薄膜。这类反应体系的主要问题是源物质和热分解温度的选择。在选择源物质时，既

8、要考虑其蒸气压与温度关系，又要特别注意在该温度下的分解产物中固相必须仅为所需要的沉积物质，而没有其他夹杂物。薄膜材料与技术薄膜材料与技术11目前用于热分解反应的化合物有以下几种（1）氢化物。由