薄膜材料與薄膜制備技術(shù)分析課件

1、傳統(tǒng)熱CVDCVD法制模 日期：2015.6.19CVD制?；驹?CVD制?；咎卣?熱化學(xué)氣相沉積3內(nèi)容大綱3CVDCVD制模基本原理化學(xué)氣相沉積CVD(Chemical Vapor Deposition)是利用加熱，等離子體激勵(lì)或光輻射等方法，使氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并以原子態(tài)沉積在適當(dāng)位置的襯底上，從而形成所需要的固態(tài)薄膜或涂層的過程?；瘜W(xué)氣相沉積主要分為四個(gè)重要階段反應(yīng)氣體向基體表面擴(kuò)散反應(yīng)氣體吸附于基體表面氣相副產(chǎn)物脫離表面反應(yīng)氣體向基體表面擴(kuò)散4CVDCVD制?；驹砘臼疽鈭D基本示意圖CVD法原理示意圖反應(yīng)氣體向材料表面擴(kuò)散反應(yīng)氣體吸附于材料的表面在材料表面發(fā)生化

2、學(xué)反應(yīng)氣態(tài)副產(chǎn)物脫離材料表面 四個(gè)過程四個(gè)過程5CVDCVD制模基本特征最主要的是必須要有化學(xué)反應(yīng)，最主要的是必須要有化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)還需以下三大特點(diǎn)： 反應(yīng)物質(zhì)在室溫或不太高的溫度下最好是氣態(tài)，或有很高的蒸氣壓，且有很高的純度 通過沉積反應(yīng)能夠形成所需要的材料沉積層 反應(yīng)易于控制6CVDCVD制?；咎卣? 、成膜的種類范圍廣、成膜的種類范圍廣 金屬、非金屬、合金、半導(dǎo)體、氧化物、單晶、多晶、有機(jī)材金屬、非金屬、合金、半導(dǎo)體、氧化物、單晶、多晶、有機(jī)材 料、軟質(zhì)、料、軟質(zhì)、超硬超硬2 、化學(xué)反應(yīng)可控性好，膜質(zhì)量高、化學(xué)反應(yīng)可控性好，膜質(zhì)量高3 、成膜的、成膜的速度快速度快（與（與PVD 相

3、比），適合相比），適合大批量生產(chǎn)大批量生產(chǎn)，膜的均勻性好（低真，膜的均勻性好（低真空，膜的繞射性好），可在復(fù)雜形狀工件上成膜空，膜的繞射性好），可在復(fù)雜形狀工件上成膜4 、膜層的、膜層的致密性好致密性好，內(nèi)應(yīng)力小，內(nèi)應(yīng)力小，結(jié)晶性好結(jié)晶性好（平衡狀態(tài)成膜）（平衡狀態(tài)成膜）5 、成膜過程的輻射損傷比較低，有利于制備多層薄膜，改變工作氣體，可、成膜過程的輻射損傷比較低，有利于制備多層薄膜，改變工作氣體，可方便制備高梯度差薄膜（材質(zhì)）方便制備高梯度差薄膜（材質(zhì)） 過渡區(qū)?。ü怆?，半導(dǎo)體器件）過渡區(qū)?。ü怆?，半導(dǎo)體器件）7CVDCVD制?；咎卣?CVD的分類1 按沉積溫度分：低溫（按沉積溫度分：低溫

4、（200500） 、中溫（、中溫（5001000）、高溫）、高溫（10001300）2 按反應(yīng)壓力分：常壓按反應(yīng)壓力分：常壓CVD（APCVD）、減壓）、減壓CVD（LPCVD）3 按反應(yīng)器壁溫度分：熱壁按反應(yīng)器壁溫度分：熱壁CVD、冷壁、冷壁CVD4按激活方式分：按激活方式分：熱激活、等離子體激活（電場(chǎng)、微波、熱激活、等離子體激活（電場(chǎng)、微波、ECR 等）、光等）、光激活（紫外光、激光等）激活（紫外光、激光等）5.以主要特征進(jìn)行綜合分類，可分為熱化學(xué)氣相沉積（以主要特征進(jìn)行綜合分類，可分為熱化學(xué)氣相沉積（TCVD）、低壓化）、低壓化學(xué)氣相沉積（學(xué)氣相沉積（LPCVD）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉

5、積）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、金屬有、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等）等8CVDCVD制?；咎卣鰿VD對(duì)反應(yīng)體系的要求1.能夠形成所需要的材料淀積層或材料層的組合，其它反應(yīng)產(chǎn)物均易揮發(fā)能夠形成所需要的材料淀積層或材料層的組合，其它反應(yīng)產(chǎn)物均易揮發(fā)2.反應(yīng)劑在室溫下最好是氣態(tài)，或在不太高的溫度下有相當(dāng)?shù)恼魵鈮?，且反?yīng)劑在室溫下最好是氣態(tài)，或在不太高的溫度下有相當(dāng)?shù)恼魵鈮?，且容易獲得高純品容易獲得高純品3.在沉積溫度下，沉積物和襯底的蒸汽壓要足夠低在沉積溫度下，沉積物和襯底的蒸汽壓要足夠低4.淀積裝置簡(jiǎn)單，操作方便工藝上重復(fù)性好，適于批量生產(chǎn)，成本低廉淀積裝

6、置簡(jiǎn)單，操作方便工藝上重復(fù)性好，適于批量生產(chǎn)，成本低廉9CVDCVD制?；咎卣鰿VD 反應(yīng)的分類a 、熱分解反應(yīng)（單一氣源）：氣態(tài)氫化物、羥基化合物等在熾熱基片上、熱分解反應(yīng)（單一氣源）：氣態(tài)氫化物、羥基化合物等在熾熱基片上熱分解沉積熱分解沉積b、化學(xué)合成反應(yīng)（、化學(xué)合成反應(yīng)（ 兩種或兩種以上氣源）兩種或兩種以上氣源）c、化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)：是一個(gè)可逆反應(yīng)，由溫度來控制反應(yīng)進(jìn)行的方向。在、化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)：是一個(gè)可逆反應(yīng)，由溫度來控制反應(yīng)進(jìn)行的方向。在高溫區(qū)生成氣相物質(zhì)，輸運(yùn)到低溫區(qū)以后，發(fā)生分解生成薄膜。一般用于高溫區(qū)生成氣相物質(zhì)，輸運(yùn)到低溫區(qū)以后，發(fā)生分解生成薄膜。一般用于物質(zhì)的提純。物質(zhì)的提純。

7、 10CVDCVD制模基本特征缺點(diǎn)缺點(diǎn)：1 一般一般CVD 的溫度太高，使基板材料耐不住高溫，界面擴(kuò)散而影響薄膜的溫度太高，使基板材料耐不住高溫，界面擴(kuò)散而影響薄膜質(zhì)量。質(zhì)量。2 大多數(shù)反應(yīng)氣體和揮發(fā)性氣體有劇毒、易燃、腐蝕。大多數(shù)反應(yīng)氣體和揮發(fā)性氣體有劇毒、易燃、腐蝕。3 在局部表面沉積困難。在局部表面沉積困難。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1 、沉積裝置相對(duì)簡(jiǎn)單。、沉積裝置相對(duì)簡(jiǎn)單。2 、可在低于熔點(diǎn)或分解溫度下制備各種高熔點(diǎn)的金屬薄膜和碳化物、可在低于熔點(diǎn)或分解溫度下制備各種高熔點(diǎn)的金屬薄膜和碳化物、氮化物、硅化物薄膜及氧化物薄膜，可實(shí)現(xiàn)高溫材料的低溫生長(zhǎng)。氮化物、硅化物薄膜及氧化物薄膜，可實(shí)現(xiàn)高溫材料的低

8、溫生長(zhǎng)。3 、適合在形狀復(fù)雜表面及孔內(nèi)鍍膜。、適合在形狀復(fù)雜表面及孔內(nèi)鍍膜。4 、成膜所需源物質(zhì)，相對(duì)來說較易獲得。、成膜所需源物質(zhì)，相對(duì)來說較易獲得。11CVDCVD制?；咎卣鞣磻?yīng)室CVD裝置結(jié)構(gòu)： 臥式開管臥式開管CVD裝置裝置特點(diǎn)：具有特點(diǎn)：具有高的生產(chǎn)效率高的生產(chǎn)效率，但沿氣流方向存在氣體濃度、膜厚分布不均勻性，但沿氣流方向存在氣體濃度、膜厚分布不均勻性 問題。問題。 12CVDCVD制?；咎卣?立式立式CVD裝置裝置 特點(diǎn)：特點(diǎn)：膜厚均勻性好膜厚均勻性好。 但不易獲得高的生但不易獲得高的生產(chǎn)效率。產(chǎn)效率。13CVDCVD制模基本特征 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)筒CVD裝置裝置 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 膜厚均勻

9、性好膜厚均勻性好， 高的生產(chǎn)效率高的生產(chǎn)效率。14CVDCVD制?；咎卣饔绊慍VD 薄膜質(zhì)量的因素1.溫度溫度 ：影響淀積速率、薄膜的結(jié)晶狀態(tài)。影響淀積速率、薄膜的結(jié)晶狀態(tài)。不同的沉積溫度，可得到單晶或多晶薄膜。一般希望低溫沉積不同的沉積溫度，可得到單晶或多晶薄膜。一般希望低溫沉積 質(zhì)量較好，應(yīng)力質(zhì)量較好，應(yīng)力減小，但不能低于結(jié)晶溫度（影響原子遷移）。減小，但不能低于結(jié)晶溫度（影響原子遷移）。2.反應(yīng)氣體濃度及比例：沉積速率還受控于反應(yīng)氣體濃度及流速（反應(yīng)量）反應(yīng)氣反應(yīng)氣體濃度及比例：沉積速率還受控于反應(yīng)氣體濃度及流速（反應(yīng)量）反應(yīng)氣體的壓強(qiáng)不宜過大（適中體的壓強(qiáng)不宜過大（適中 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)

10、的條件，熱力學(xué)方程根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的條件，熱力學(xué)方程 ）。反應(yīng)氣體壓）。反應(yīng)氣體壓強(qiáng)過低影響成核密度強(qiáng)過低影響成核密度 成膜速率。成膜速率。3.基板的影響：基板的影響：材質(zhì)，膨脹系數(shù)材質(zhì)，膨脹系數(shù) 附著性；表面結(jié)晶狀態(tài)附著性；表面結(jié)晶狀態(tài) 成膜中心、成膜中心、密度，晶體的結(jié)晶取向（密度，晶體的結(jié)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 膜均勻膜均勻（另與氣體流速，氣體壓強(qiáng)有關(guān)）（另與氣體流速，氣體壓強(qiáng)有關(guān)） 15熱化學(xué)氣相沉積熱化學(xué)氣相沉積是指采用襯底表面熱催化方式進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積。該方法沉積溫度較高，一般在8001200左右，這樣的高溫使襯底的選擇受到很大限制，但它

11、是化學(xué)氣相沉積的經(jīng)典方法： 組成部分氣相供應(yīng)系統(tǒng)反應(yīng)室排氣系統(tǒng)16熱化學(xué)氣相沉積氣相供應(yīng)系統(tǒng)由反應(yīng)氣體和載氣組成。反應(yīng)氣體既可以以氣態(tài)供給，也可以以液態(tài)或者固態(tài)供給。當(dāng)反應(yīng)氣體為氣態(tài)時(shí)，由高壓鋼瓶經(jīng)減壓閥取出，可通過流量計(jì)控制流量。當(dāng)反應(yīng)氣體為液態(tài)時(shí)，可采用兩種方法使之氣化，一是把液體通入蒸發(fā)容器中，同時(shí)使載氣從溫度恒定的液面上通過，這樣液體在相應(yīng)溫度下產(chǎn)生的蒸氣由載氣攜帶進(jìn)入反應(yīng)室；二是讓載氣通過液體，利用產(chǎn)生的氣泡使液體汽化，繼而將反應(yīng)氣體攜帶出去。當(dāng)反應(yīng)氣體以固態(tài)形式供給時(shí)，把固體放入蒸發(fā)器內(nèi)，加熱使其蒸發(fā)或升華，繼而送入反應(yīng)室中。由于沉積薄膜的性能與氣體的混合比例有關(guān)，氣體的混合比例由

12、相應(yīng)的質(zhì)量流量計(jì)和控制閥來決定。17熱化學(xué)氣相沉積 反應(yīng)室：根據(jù)反應(yīng)系統(tǒng)的開放程度，可分為開放型、封閉型、近間距型。 類型類型 特點(diǎn)特點(diǎn) 開放型能連續(xù)地供氣和排氣、反應(yīng)總是處于非平衡狀態(tài)而有利于沉積物的形成，優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是試樣容易裝卸，工藝條件易于控制，是試樣容易裝卸，工藝條件易于控制，工藝重復(fù)性好。工藝重復(fù)性好。封閉型把一定量的反應(yīng)原料和適宜的襯底分別放在反應(yīng)管的兩端，管內(nèi)抽成真空后放入一定量的輸送劑然后熔封，可以降低可以降低來自空氣或環(huán)境氣氛的偶然污染，沉積來自空氣或環(huán)境氣氛的偶然污染，沉積轉(zhuǎn)化率高，其缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢，不適轉(zhuǎn)化率高，其缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢，不適宜進(jìn)行大批量生產(chǎn)。宜進(jìn)行大批量生產(chǎn)。近間距型兼有封閉型和開放型的某些特點(diǎn)18熱化學(xué)氣相沉積另外根據(jù)反應(yīng)器壁是否加熱，可分為熱壁反應(yīng)器和冷壁反應(yīng)器：類型類型原理原理優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)熱壁反應(yīng)器氣壁、襯底和反應(yīng)氣體處在同一溫度下，通常用電阻元件加熱，用于間歇式生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)非常精確地控制反應(yīng)溫度；缺點(diǎn)是沉積不僅在襯底表面，也在器壁上和其他元件上發(fā)生冷壁反應(yīng)器通常只對(duì)襯底加熱，器壁溫度較低增強(qiáng)反應(yīng)氣體的輸送速度19熱化學(xué)氣相沉積排氣系統(tǒng)排氣系統(tǒng)是CVD裝置在安全方面最為重要的部分。該系統(tǒng)具有兩個(gè)主要的功能：一是反應(yīng)室除去未反應(yīng)的氣體和副產(chǎn)物，二是提供一條反應(yīng)物躍過反應(yīng)區(qū)的通暢路徑。其中未反應(yīng)的氣體可能在排氣系統(tǒng)中繼續(xù)反應(yīng)而形成