化學(xué)氣相沉積

化學(xué)氣相沉積（CVD）化學(xué)氣相沉積的原理1化學(xué)氣相沉積的工藝方法2化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用3

PVD和CVD的對(duì)比4化學(xué)氣相沉積的新進(jìn)展5化學(xué)氣相沉積的原理原理：CVD是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過程。1.產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)2.將揮發(fā)性物質(zhì)運(yùn)到沉積區(qū)3.揮發(fā)性物質(zhì)在基體上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)三個(gè)步驟化學(xué)氣相沉積的原理CVD過程1反應(yīng)氣體到達(dá)基材表面2反應(yīng)氣體被基材表面吸附3在基材表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形核4生成物從基材表面脫離5生成物從基材表面擴(kuò)散化學(xué)氣相沉積的原理常見的反應(yīng)類型1、熱分解反應(yīng)2、還原反應(yīng)3、化學(xué)輸送4、氧化反應(yīng)5、加水分解6、與氨反應(yīng)7、合成反應(yīng)8、等離子激發(fā)反應(yīng)9、光激發(fā)反應(yīng)10、激光激發(fā)反應(yīng)化學(xué)氣相沉積（CVD）1、熱分解反應(yīng)2、還原反應(yīng)SiH4CH3SiCl3SiC+3HCl1400℃Si+H2WF6+3H2W+6HF﹙氫還原﹚SiCl4+2ZnSi+2ZnCl2﹙金屬還原﹚化學(xué)氣相沉積（CVD）3、化學(xué)輸送Si(s)+I2(g)SiI2(g)(高溫區(qū))2SiI2(g)Si(s)+SiI4(g)(低溫區(qū))4、氧化反應(yīng)SiH4+O2SiO2+2H24PH3+5O22P2O5+6H25、加水分解2AlCl3+3H2OAl2O3+6HCl化學(xué)氣相沉積（CVD）6、與氨反應(yīng)3SiH2Cl2+4NH3Si3N4+6HCl+6H23SiH4+4NH3Si3N4+12H27、合成反應(yīng)

幾種氣體物質(zhì)在沉積區(qū)內(nèi)反應(yīng)于工件表面，形成所需物質(zhì)薄膜8、等離子體激發(fā)反應(yīng)

用等離子體放電是反應(yīng)氣體活化，可在較低溫度下成膜化學(xué)氣相沉積（CVD）9、光激發(fā)反應(yīng)如在SiH4-O2反應(yīng)體系中使用水銀蒸汽為感光物質(zhì)，用253.7nm紫外光照射，并被水銀蒸汽吸收，這一反應(yīng)可制備硅氧化物10、激光激發(fā)反應(yīng)W（CO2）W+6CO化學(xué)氣相沉積的工藝方法

不同的涂層，其工藝方法一般不相同。但他們有一些共性，即每一個(gè)CVD系統(tǒng)都必須具備如下功能：①將反應(yīng)氣體及其稀釋劑通入反應(yīng)器，并能進(jìn)行測(cè)量和調(diào)節(jié)；②能為反應(yīng)部位提供熱量，并通過自動(dòng)系統(tǒng)將熱量反饋至加熱源，以控制涂覆溫度。③將沉積區(qū)域內(nèi)的副產(chǎn)品氣體抽走，并能安全處理。此外，要得到高質(zhì)量的CVD膜，CVD工藝必須嚴(yán)格控制好幾個(gè)主要參量：①反應(yīng)器內(nèi)的溫度。②進(jìn)入反應(yīng)器的氣體或蒸氣的量與成分。③保溫時(shí)間及氣體流速。④低壓CVD必須控制壓強(qiáng)。

化學(xué)氣相沉積的工藝方法

CVD技術(shù)分類反應(yīng)器是CVD裝置最基本的部件。根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的不同，可將CVD技術(shù)分為開放型氣流法和封閉型氣流法兩種基本類型。1、開放型氣流法：特點(diǎn)：反應(yīng)氣體混合物能夠連續(xù)補(bǔ)充，同時(shí)廢棄的反應(yīng)產(chǎn)物能夠不斷地排出沉積室，反應(yīng)總是處于非平衡狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：試樣容易裝卸，工藝條件易于控制，工藝重復(fù)性好?；瘜W(xué)氣相沉積的工藝方法

按照加熱方式的不同，開放型氣流法可分為熱壁式和冷壁式兩種。（1）熱壁式一般采用電阻加熱，沉積室壁和基體都被加熱。缺點(diǎn)是管壁上也會(huì)發(fā)生沉積。反應(yīng)氣體排氣襯底熱壁反應(yīng)器加熱器化學(xué)氣相沉積的工藝方法（2）冷壁式

基體本身被加熱，故只有熱的基體才發(fā)生沉積。實(shí)現(xiàn)冷壁式加熱的常用方法有感應(yīng)加熱，通電加熱和紅外加熱等。反應(yīng)氣體排氣水冷卻反應(yīng)器加熱的襯底冷壁反應(yīng)器化學(xué)氣相沉積的工藝方法2.封閉型氣流法

把一定量的反應(yīng)物和適當(dāng)?shù)幕w分別放在反應(yīng)器的兩端，管內(nèi)抽真空后充入一定量的輸運(yùn)氣體，然后密封，再將反應(yīng)器置于雙溫區(qū)內(nèi)，使反應(yīng)管內(nèi)形成一溫度梯度。溫度梯度造成的負(fù)自由能變化是傳輸反應(yīng)的推動(dòng)力，于是物料就從封管的一端傳輸?shù)搅硪欢瞬⒊练e下來。優(yōu)點(diǎn)（1）可降低來自外界的污染；（2）不必連續(xù)抽氣即可保持真空；（3）原料轉(zhuǎn)化率高。缺點(diǎn)（1）材料生長(zhǎng)速率慢，不利于大批量生產(chǎn)；（2）有時(shí)反應(yīng)管只能使用一次，沉積成本較高；（3）管內(nèi)壓力測(cè)定困難，具有一定的危險(xiǎn)性。化學(xué)氣相沉積的工藝方法反應(yīng)氣體襯底感應(yīng)線圈排氣孔（a）開放型低溫區(qū)T1高溫區(qū)T2實(shí)心棒生長(zhǎng)端熔斷處（b）封閉型化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器示意圖ZnSe(s)+I2(g)ZnI2(g)+1／2Se2(g)I2(g)ZnSeT2T1化學(xué)氣相沉積的工藝方法低壓化學(xué)氣相沉積

（LPCVD）低壓化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)淀積的某些薄膜，在均勻性和臺(tái)階覆蓋等方面比APCVD系統(tǒng)的要好，而且污染也少。另外，在不使用稀釋氣體的情況下，通過降低壓強(qiáng)就可以降低氣相成核。LPCVD的淀積速率是受表面反應(yīng)控制：因?yàn)樵谳^低的氣壓下(大約133.3Pa)，氣體的擴(kuò)散速率比在一個(gè)大氣壓下的擴(kuò)散速率高出很多倍。盡管邊界層的厚度隨壓力降低而增厚，兩者相比還是擴(kuò)散速度增大占優(yōu)勢(shì)，因此LPCVD系統(tǒng)中反應(yīng)劑的質(zhì)量輸運(yùn)不再是限制淀積速率的主要因素，淀積速率受表面反應(yīng)控制。由于LPCVD淀積速率不再受質(zhì)量輸運(yùn)控制，這就降低了對(duì)反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的要求。雖然表面反應(yīng)速度對(duì)溫度非常敏感，但是精確控制溫度相對(duì)比較容易。LPCVD可以用來淀積多種薄膜，包括多晶硅、氮化硅、二氧化硅等?；瘜W(xué)氣相沉積的工藝方法化學(xué)氣相沉積的工藝方法化學(xué)氣相沉積的工藝方法氣缺現(xiàn)象在LPCVD系統(tǒng)中，因?yàn)楸砻娣磻?yīng)速度控制淀積速率，而表面反應(yīng)速度又正比于表面上的反應(yīng)劑濃度，要想在各個(gè)硅片表面上淀積厚度相同的薄膜，就應(yīng)該保證各個(gè)硅片表面上的反應(yīng)劑濃度是相同的。然而對(duì)于只有一個(gè)入氣口的反應(yīng)室來說，沿氣流方向因反應(yīng)劑不斷消耗，靠近入氣口處淀積的膜較厚，遠(yuǎn)離入氣口處淀積的膜較薄，稱這種現(xiàn)象為氣缺現(xiàn)象。化學(xué)氣相沉積的工藝方法減輕氣缺現(xiàn)象影響的方法(1)由于反應(yīng)速度隨著溫度的升高而加快，可通過在水平方向上逐漸提高溫度來加快反應(yīng)速度，從而提高淀積速率，補(bǔ)償氣缺效應(yīng)的影響，減小各處淀積厚度的差別。(2)采用分布式的氣體入口，就是反應(yīng)劑氣體通過一系列氣體口注入到反應(yīng)室中。需要特殊設(shè)計(jì)的淀積室來限制氣流交叉效應(yīng)。(3)增加反應(yīng)室中的氣流速度。當(dāng)氣流速度增加的時(shí)候，在單位時(shí)間內(nèi)，靠近氣體入口處的淀積速率不變，薄膜淀積所消耗的反應(yīng)劑絕對(duì)數(shù)量也就沒有改變，但所消耗的比例降低，更多的反應(yīng)劑氣體能夠輸運(yùn)到下游，在各個(gè)硅片上所淀積的薄膜厚度也變得更均勻一些。LPCVD系統(tǒng)的兩個(gè)主要缺點(diǎn)是相對(duì)低的淀積速率和相對(duì)高的工作溫度。增加反應(yīng)劑分壓來提高淀積速率則容易產(chǎn)生氣相反應(yīng)；降低淀積溫度則將導(dǎo)致不可接受的淀積速率。化學(xué)氣相沉積的工藝方法等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)是目前最主要的化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)。APCVD和LPCVD都是利用熱能來激活和維持化學(xué)反應(yīng)，而PECVD是通過射頻等離子體來激活和維持化學(xué)反應(yīng)，受激發(fā)的分子可以在低溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以淀積溫度比APCVD和LPCVD低，淀積速率也更高。低溫淀積是PECVD的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，因此，可以在鋁上淀積二氧化硅或者氮化硅。淀積的薄膜具有良好的附著性、低針孔密度、良好的階梯覆蓋及電學(xué)特性?；瘜W(xué)氣相沉積的工藝方法等離子體中的電子與反應(yīng)氣體的分子碰撞時(shí)，這些分子將分解成多種成份：離子、原子以及活性基團(tuán)(激發(fā)態(tài))，這些活性基團(tuán)不斷吸附在襯底表面上，吸附在表面上的活性基團(tuán)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜元素，并在襯底表面上形成薄膜?；钚曰鶊F(tuán)吸附在表面時(shí)，不斷的受到離子和電子轟擊，很容易遷移，發(fā)生重新排列。這兩個(gè)特性保證了所淀積薄膜有良好的均勻性，以及填充小尺寸結(jié)構(gòu)的能力。化學(xué)氣相沉積的工藝方法值得注意的是，在PECVD的操作過程中，還需要對(duì)另外一些淀積參數(shù)進(jìn)行控制和優(yōu)化，除了氣流速度．溫度和氣壓等參數(shù)之外，淀積過程還依賴于射頻功率密度、頻率等參數(shù)。PECVD是典型的表面反應(yīng)速率控制型，要想保證薄膜的均勻性，就需要準(zhǔn)確控制襯底溫度?；瘜W(xué)氣相沉積的工藝方法化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用CVD的特點(diǎn)CVD與其他涂層方法相比，具有如下特點(diǎn)：（1）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作維護(hù)方便，靈活性強(qiáng)，既可制造金屬膜、非金屬膜，又可按要求制造多種成分的合金、陶瓷和化合物鍍層。通過對(duì)多種原料氣體的流量調(diào)節(jié)，能夠在相當(dāng)大的范圍內(nèi)控制產(chǎn)物的組分，從而獲得梯度沉積物或者得到混合鍍層。（2）可在常壓或低真空狀態(tài)下工作，鍍膜的繞射性好，形狀復(fù)雜的工件或工件中的深孔、細(xì)孔都能均勻鍍膜?；瘜W(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用（3）由于沉積溫度高，涂層與基體之間結(jié)合好，這樣，經(jīng)過CVD法處理后的工件，即使用在十分惡劣的加工條件下，涂層也不會(huì)脫落。（4）涂層致密而均勻，并且容易控制其純度、結(jié)構(gòu)和晶粒度。（5）沉積層通常具有柱狀晶結(jié)構(gòu)，不耐彎曲。但通過各種技術(shù)對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行氣相擾動(dòng)，可以得到細(xì)晶粒的等軸沉積層。該法最大缺點(diǎn)是沉積溫度高，一般在700～1100℃范圍內(nèi)，許多材料都經(jīng)受不了這樣高的溫度，使其用途受到很大的限制化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用CVD的應(yīng)用

利用CVD技術(shù)，可以沉積出玻璃態(tài)薄膜，也能制出純度高、結(jié)構(gòu)高度完整的結(jié)晶薄膜，還可沉積純金屬膜、合金膜以及金屬間化合物。這些新材料由于其特殊的功能已在復(fù)合材料、微電子學(xué)工藝、半導(dǎo)體光電技術(shù)、太陽能利用、光纖通信、超導(dǎo)電技術(shù)和保護(hù)涂層等許多新技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用CVD的應(yīng)用1.復(fù)合材料制備CVD法制備的纖維狀或晶須狀的沉積物在發(fā)展復(fù)合材料方面它具有非常大的作用。如Be、B、Fe、Al2O3、SiO2、SiC、Si3N4、AlN和BN等纖維或晶須增強(qiáng)的Al、Mg、Ti、Ni、Cu及各種樹脂類高分子聚合物等的復(fù)合材料，以及纖維和晶須增強(qiáng)的各種陶瓷類復(fù)合材料。在陶瓷中加入微米量級(jí)的超細(xì)晶須，已證明可使復(fù)合材料的韌性得到明顯的改進(jìn)?；瘜W(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用2.微電子學(xué)工藝半導(dǎo)體器件，特別是大規(guī)模集成電路的制作，其基本工藝流程都是由外延、掩膜、光刻、擴(kuò)散和金屬連接等過程組合而成的。其中半導(dǎo)體膜的外延、P—N結(jié)擴(kuò)散源的形成、介質(zhì)隔離、擴(kuò)散掩膜和金屬膜的沉積等是這些工藝的核心步驟?；瘜W(xué)氣相沉積在制備這些材料層的過程中逐漸取代了像硅的高溫氧化和高溫?cái)U(kuò)散等舊有工藝，在現(xiàn)代微電子學(xué)工藝中占據(jù)了主導(dǎo)地位。化學(xué)氣相沉積高純硅的問世使半導(dǎo)體進(jìn)入了集成化的新時(shí)代?；瘜W(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用3.半導(dǎo)體光電技術(shù)半導(dǎo)體光電技術(shù)包括半導(dǎo)體光源、光接受、光波導(dǎo)、集成光路及光導(dǎo)纖維等一系列基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的邊緣學(xué)科。CVD法可以制備半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光器件、光接受器和光集成光路等。如集成電路是采用低溫氣相沉積技制備的，應(yīng)用氫化物、金屬有機(jī)化合物為源的沉積方法，在絕緣的透明襯底上（如藍(lán)寶石、尖晶石等）通過異質(zhì)外延生長(zhǎng)Ⅳ族、Ⅲ—Ⅵ族化合物材料及其組合的集成化材料?；瘜W(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用4.太陽能利用利用無機(jī)材料的光電轉(zhuǎn)換功能制成太陽能電池是太陽能利用的一個(gè)重要途徑。現(xiàn)已試制成功硅、砷化鎵同質(zhì)結(jié)電池以及利用Ⅲ—Ⅴ族、Ⅱ一Ⅵ族等半導(dǎo)體制成了多種異質(zhì)結(jié)太陽能電池，如SiO2/Si，GaAs/GaAlAs等，它們幾乎全制成薄膜形式。氣相沉積是最主要的制備技術(shù)?；瘜W(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用5.光纖通信光纖通信由于其容量大、抗電磁干擾、體積小、對(duì)地形適應(yīng)性高、保密性高以及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此得到迅速發(fā)展。通信用的光導(dǎo)纖維是用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制得的石英玻璃棒經(jīng)燒結(jié)拉制而成的。利用高純四氯化硅和氧氣可以很方便地沉積出高純石英玻璃?；瘜W(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用6.超電導(dǎo)技術(shù)

化學(xué)氣相沉積生產(chǎn)的Nb3Sn超導(dǎo)材料是目前繞制高場(chǎng)強(qiáng)小型磁體的最優(yōu)良材料。化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)出來的其他金屬間化合物超導(dǎo)材料還有V3Ga和Nb3Ga等。

化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用7.保護(hù)涂層化學(xué)氣相沉積在保護(hù)涂層領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。CVD法可以沉積多種元素及其氮化物、氧化物、硼化物、硅化物和磷化物，在耐磨鍍層中，用于金屬切削刀具占主要地位。在切削應(yīng)用中，鍍層的重要性能包括硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨、減摩、高的熱導(dǎo)以及熱穩(wěn)定性?；瘜W(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用7.保護(hù)涂層例如，用CVD法在工模具表面上制備的耐磨涂層能顯著地提高工模具使用壽命，耐磨涂層刀具的出現(xiàn)被譽(yù)為刀具的一場(chǎng)革命。除刀具外，CVD鍍層還可用于其它承受摩擦磨損的設(shè)備，如泥漿傳輸設(shè)備、煤的氣化設(shè)備和礦井設(shè)備等?；瘜W(xué)氣相沉積的特點(diǎn)與應(yīng)用

7.保護(hù)涂層如CVD的鎢鈦合金CM500L鍍層性能在泥漿摩擦試驗(yàn)中比電鍍鉻層的性能要好得多。在電鍍鎳槍筒的內(nèi)壁CVD鍍鎢后，在模擬彈藥通過槍筒發(fā)射的試驗(yàn)中，其耐剝蝕性能幾乎增加10倍。

PVD和CVD的對(duì)比1、工藝溫度高低是CVD和PVD之間的主要區(qū)別。溫度對(duì)于高速鋼鍍膜具有重大意義。CVD法的工藝溫度超過了高速鋼的回火溫度，用CVD法鍍制的高速鋼工件，必須進(jìn)行鍍膜后的真空熱處理，以恢復(fù)硬度。鍍后熱處理會(huì)產(chǎn)生不容許的變形。2、CVD工藝對(duì)進(jìn)人反應(yīng)器工件的清潔要求比PVD工藝低一些，因?yàn)楦街诠ぜ砻娴囊恍┡K東西很容易在高溫下燒掉。此外，高溫下得到的鍍層結(jié)合強(qiáng)度要更好些。

PVD和CVD的對(duì)比3、CVD鍍層往往比各種PVD鍍層略厚一些，前者厚度在7.5μm左右，后者通常不到2.5μm厚。CVD鍍層的表面略比基體的表面粗糙些