章化学气相沉积.pptx

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/11/5,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化学气相沉积概述,Chemical Vapor Deposition(CVD),技术的发展,1,CVD,概述,定义：,通过,化学反应,的方式，利用加热、等离子体激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸气态物质在,气相或气固界面,上经化学反应形成,固态,淀积物的技术。,对本章来说，固相产物是在,气固界面,以,薄膜,的形式产生。,特点：,成膜的种类范围广。可制作金属，非金属及多成分合金薄膜；,化学反应可控性好，膜质量高；,成膜速度快,(,与,PVD,相比,),，能同时制作多工件的均匀镀层；,在常压或低真空进行镀膜的绕射性好；,获得平滑的沉积表面；,纯度高，致密性好，残余应力小，结晶良好的薄膜。,2,CVD,概述,CVD,薄膜沉积过程,最慢的步骤限制着反应速率的大小,3,CVD,概述,CVD,技术所涉及的化学反应类型,4,CVD,概述,CVD,技术所涉及的化学反应类型,5,CVD,概述,CVD,分类、方法,按淀积温度分：低温,(200-500,o,C),，中温,(500-1000,o,C),和高温,(1000-1300,o,C)CVD,。,按反应压力分：常压,CVD,、减压,CVD(0.110 Torr),、超高真空,CVD(10,-7,Torr),等。,按反应壁温度分：热壁,CVD,、冷壁,CVD,。,按激活方式分：热,CVD,、光,CVD,、等离子体,CVD,等。,6,CVD,方法,热,CVD,7,定义：,利用挥发性的金属卤化物和金属有机化合物等，在,高温,下发生气相化学反应，并在基板上沉积所需要的薄膜。,淀积机理：,气相质量输运及表面反应速率的控制过程,特点：,优点：成膜速度快；可制备多成分的薄膜；,附着力强；膜纯度高、结晶性好。,缺点：反应温度太高，一般要达到,1000,o,C,左右,。,可淀积的薄膜：,Si,外延薄膜；,poly-Si,、,SiC,等薄膜。,CVD,装置简图,CVD,方法,热,CVD,反应器：,8,CVD,方法,常压,CVD(NPCVD),定义：,气相淀积在,1,个大气压下进行,(,不采用真空装置,),淀积机理：,气相质量输运控制过程,特点：,炉壁加热方式：射频加热,/,辐射加热等；,样品放置：倾斜,/,平置；,优点：淀积速率高，操作简便,缺点：均匀性较差、台阶覆盖差、,易发生气相反应，产生微粒污染。,可淀积的薄膜：,Si,外延薄膜；,SiO,2,、,poly-Si,、,Si,3,N,4,薄膜等。,9,10,CVD,方法,常压,CVD(NPCVD),连续式常压,CVD,装置示意图,CVD,方法,减压,CVD(LPCVD),11,定义：,在,10-10,3,Pa,压力下进行化学气相淀积,淀积机理：,表面反应控制过程,优点：,均匀性好（,3-5,，,APCVD,：,10,）；,台阶覆盖好；薄膜中异物、杂质附着少。,缺点：,淀积速率低,可淀积薄膜：,poly-Si,、,Si3N4,、,SiO2,、,PSG,、,BPSG,、,W,等。,Chemical Vapor Deposition(CVD)技术的发展,淀积机理：气相质量输运控制过程,按激活方式分：热CVD、光CVD、等离子体CVD等。,炉壁加热方式：射频加热/辐射加热等；,体电阻率较小(相比于Ti和Ta)。,纯度高，致密性好，残余应力小，结晶良好的薄膜。,有机金属CVD(MOCVD),体电阻率较小(相比于Ti和Ta)。,单色光 选择性化学反应，降低反应温度（SiO2，50），减少对膜污染，实现选择性成膜。,12,热壁型减压,CVD,装置图,CVD,方法,减压,CVD(LPCVD),CVD,方法,等离子体增强,CVD,(PECVD),13,定义：,激活气体分子（等离子体）；使其在低温（可低至室温）下发生化学反应，淀积成膜。,淀积机理：,表面反应控制过程,PECVD,沉积薄膜的原理图,14,CVD,方法,等离子体增强,CVD,(PECVD),优点：,温度低（,200-350,）；更高的淀积速率；附着性好；台阶覆盖好；电学特性好。,缺点：,产量低,可淀积薄膜：,金属化后的钝化膜（,Si3N4,）；多层布线的介质膜（,Si3N4,、,SiO2,）等。,例如：淀积,Si3N4,薄膜时，采用,NPCVD,或,LPCVD,，一般需要,1000,高温，而采用,PECVD,，在,300,左右就可以完成。,CVD,方法,等离子体增强,CVD,(PECVD),PECVD,中等离子体产生方式：,二极直流辉光放电,PECVD,射频电容或电感耦合,PECVD,高密度,PECVD,ECR,放电、,高频感应耦合、,螺旋波放电。,15,CVD,方法,光,CVD,(photo CVD),工作原理,：采用激光或紫外光加热以及光催化的方法将化合物催化分解，得到活性粒子，继而发生化学反应、并沉积成膜。,光源,：,激光器、紫外光源灯、,Hg,灯等。,16,特点：,单色光,选择性化学反应，降低反应温度（,SiO,2,，,50,），减少对膜污染，实现选择性成膜。,激光聚束性能好，可得到高能密度,10,9,W/cm,2,以上。,可以利用光束良好的空间分辨率和二维可控性实现局部修补，掺杂。,17,CVD,方法,光,CVD,(photo CVD),低压汞灯为光源,2537,埃和,1849,埃紫外辐射，反应室充入,Hg,蒸汽做触媒，被激励成为高能态的,Hg,*,，再由,Hg,*,碰撞将能量传递给反应气体。,缺点：有,Hg,污染,CVD,方法,有机金属,CVD,(MOCVD),目的：,制备高质量的半导体化合物薄膜材料，如：,III-V,、,II-VI,；,制备高密度,FRAM,等多组分铁电薄膜材料。,工作气体：,低温高挥发性的金属有机物，一般为烷基或芳基衍生物，烃基衍生物，羰基化合物等。,工作温度：,300700,o,C,。,含有化合物半导体元素的原料化合物必须满足的条件,：,(1),常温下较稳定且容易处理,;,(2),反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层,;,(3),在室温附近应具有适当的蒸气压。,18,CVD,方法,有机金属,CVD,(MOCVD),19,优点：,成分组分控制比较好，可以大面积沉积、均匀性好、致密；,沉积温度较低，减少了自污染，提高了薄膜的纯度。,缺点：,有机金属化合物蒸气有剧毒和易燃,，给有机金属化合物的制备，贮存，运输和使用带来了困难；,工作,气体成本比较高,；,反映温度低，有些金属有机化合物在气相中就发生反应，生成固态微粒再沉积到衬底表面，形成薄膜中的杂质颗粒，破环了膜的完整性。,CVD,方法,有机金属,CVD,(MOCVD),20,21,CVD,方法,有机金属,CVD,(MOCVD),CVD,方法,金属,CVD,(CVD),22,针对,LSI,向高密度发展，超微细孔,(,连接孔或通孔,),的处理要求越来越高。,表：常用金属,CVD,薄膜及使用的气源,23,钨的,CVD,W,的特性：,热稳定性高：熔点,3410,；应力低；保形覆盖好；抗电迁移强；耐腐蚀；体电阻率较小,(,相比于,Ti,和,Ta),。,W,的缺点：,电阻率相对较高：是,Al,的一倍；,在氧化物和氮化物上的附着性差：可实现选择性淀积；,W,的用途：,特征尺寸小于,1 m,的接触孔和通孔填充,钨插塞；,局部互连。,CVD,方法,金属,CVD,(CVD),理想的,W,源：,WF,6,（沸点,17,，易气态输送、可精确控制流量）。,CVD,方法,化学气相沉积,(CVD),与物理气相沉积,(,PVD),方法比较：,24,25,CVD,方法应用实例：制备碳纳米管,(CNT),过程图,26,CVD,方法应用实例：制备碳纳米管,(CNT),原理图,多层布线的介质膜（Si3N4、SiO2）等。,制备高密度FRAM等多组分铁电薄膜材料。,缺点：反应温度太高，一般要达到1000 oC 左右。,反映温度低，有些金属有机化合物在气相中就发生反应，生成固态微粒再沉积到衬底表面，形成薄膜中的杂质颗粒，破环了膜的完整性。,CVD法制备的CNT粉体、纤维、阵列(薄膜),单色光 选择性化学反应，降低反应温度（SiO2，50），减少对膜污染，实现选择性成膜。,反映温度低，有些金属有机化合物在气相中就发生反应，生成固态微粒再沉积到衬底表面，形成薄膜中的杂质颗粒，破环了膜的完整性。,可淀积薄膜：金属化后的钝化膜（Si3N4）；,最慢的步骤限制着反应速率的大小,成膜速度快(与PVD相比)，能同时制作多工件的均匀镀层；,热稳定性高：熔点3410；,工作原理：采用激光或紫外光加热以及光催化的方法将化合物催化分解，得到活性粒子，继而发生化学反应、并沉积成膜。,可以利用光束良好的空间分辨率和二维可控性实现局部修补，掺杂。,射频电容或电感耦合PECVD,优点：温度低（200-350）；,27,CVD,方法应用实例：制备碳纳米管,(CNT),设备图,马弗炉,First Nano,28,CVD,方法应用实例：制备碳纳米管,(CNT),CVD,法制备的,CNT,粉体、纤维、阵列,(,薄膜,),D=510,m,习题,等离子体,CVD,与热,CVD,相比，在原理上有哪些差别？有哪些优越性？,29,