第章薄膜的化学气相沉积省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二章第二章 薄膜制薄膜制备化学气相沉化学气相沉积材料科学与工程学院材料科学与工程学院 纳米光米光电材料材料试验室室 朱朱归胜第1页基本基本概概念念目目录1 化化学气学气相沉相沉积原理原理2化化学气学气相沉相沉积优缺点缺点3化化学气学气相沉相沉积主要反主要反应类型型4化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理5桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 化化学气学气相沉相沉积适用范适用范围6化化学气学气相沉相沉积主要装置主要装置7化化学气学气相沉相沉积工工艺参数参数8第2页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 引言引言非洲之星钻石为同一颗天然钻石库利南加工而成。“库利南”（Cullinan）：191月21日发觉于南非普列米尔矿山。它纯净透明，带有淡蓝色调，是最正确品级宝石金刚石，重量为3106克拉。一直到现在，它还是世界上发觉最大宝石金刚石。库利南被劈开后，由三个熟练工匠，天天工作14小时，琢磨了8个月。一共磨成了9粒大钻石和96粒小钻石。这105粒钻石总重量106365克拉，为库利南原重量 34.25%。其中最大一粒名叫“非洲之星第”，水滴形，重530.2克拉，它有74个刻面，镶在英国国王权杖上。次大一粒叫做“非洲之星第”，方形，64个面，重317.40克拉，镶在英帝国王冠上。第3页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 引言引言Hardest mat.-Damaged the hardness sensor2.5mm high,grown in 1daysingle-crystal diamond grown by CVDC.S.Yan et al.,Physica Status Solidi(a)201,R25().第4页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 1 基本基本概概念念v化化学学气气相相沉沉积积乃乃是是经经过过化化学学反反应应方方式式，利利用用加加热热、等等离离子子激激励励或或光光辐辐射射等等各各种种能能源源，在在反反应应器器内内使使气气态态或或蒸蒸汽汽状状态态化化学学物物质质在在气气相相或或气气固固界界面面上上经经化化学学反应形成固态沉积物技术。反应形成固态沉积物技术。v从气相中析出固体形态主要有以下几个：从气相中析出固体形态主要有以下几个：在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒在气体中生成粒子在气体中生成粒子第5页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 1 基本基本概概念念v化化 学学 气气 相相 淀淀 积积，简简 称称 CVD(Chemical Vapor Deposition)把把含含有有组组成成薄薄膜膜元元素素一一个个或或几几个个化化合合物物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化化学学反反应应（热热分分解解或或化化学学合合成）生长要求薄膜成）生长要求薄膜。v 化学气相沉化学气相沉积（CVD）是一个化学气相生）是一个化学气相生长法。法。vCVD装装置置主主要要部部分分：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给部分和气体排出部分给部分和气体排出部分。vCVD能能够制制备单晶晶、多多相相或或非非晶晶态无无机机薄薄膜膜，近近年年来来，已已研研制制出出金金刚石石薄薄膜膜、高高Tc超超导薄薄膜膜、透透明明导电薄薄膜膜以以及及一一些敏感功效薄膜。些敏感功效薄膜。第6页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 1.1 化化学气学气相沉相沉积分分类v按按淀淀积温温度度：低低温温（200500）、中中温温（500 1000）和高温（）和高温（1000 1300）v按反按反应器内器内压力：常力：常压和低和低压v按反按反应器壁温度：器壁温度：热壁和冷壁壁和冷壁v按反按反应激活方式：激活方式：热激活和冷激活激活和冷激活第7页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 1.1 化化学气学气相沉相沉积分分类vCVD技技术应用用面面很很广广，以以半半导体体工工业为例例，从从集集成成电路路到到电子子器器件件无无一一不不用用到到CVD技技术。下下列列图是是CVD分分类及及其其在在半半导体体技技术中中应用用各各种种实例。例。第8页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 1.1 化化学气学气相沉相沉积分分类CVD技技术低低压CVD（LPCVD）常常压CVD（APCVD）亚常常压CVD(SACVD)超高真空超高真空CVD(UHCVD)等离子体增等离子体增强CVD(PECVD)高密度等离子体高密度等离子体CVD(HDPCVD快快热CVD(RTCVD)金属有机物金属有机物CVD(MOCVD依依据据各各种种实现装装置置不不一一样第9页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 1.2 CVD与与PVD比比较项项 目目PVDCVD物质源物质源生成膜物质蒸气，反应气体生成膜物质蒸气，反应气体含有生成膜元素化合物蒸气，含有生成膜元素化合物蒸气，反应气体等反应气体等激活方法激活方法消耗蒸发烧，电离等消耗蒸发烧，电离等提供激活能，高温，化学自由提供激活能，高温，化学自由能能制作温度制作温度250（蒸发源）（蒸发源）25至适当温度（基片）至适当温度（基片）150（基片）（基片）成膜速率成膜速率5250um/h251500 um/h用途用途装饰，电子材料，光学装饰，电子材料，光学材料精制，装饰，表面保护，材料精制，装饰，表面保护，电子材料电子材料可制作薄可制作薄膜材料膜材料全部固体（全部固体（C、Ta、W困难）困难）、卤化物和热稳定化合物、卤化物和热稳定化合物碱及碱土类以外金属（碱及碱土类以外金属（Ag、Au困难）困难）、碳化物、氮化物、硼化物、氧化、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、金物、硫化物、硒化物、碲化物、金属化合物、合金属化合物、合金第10页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 1.3 化化学气学气相沉相沉积发展展历程程古人古人类在取暖在取暖或或烧烤烤时在岩在岩洞壁或岩石上洞壁或岩石上的黑色碳的黑色碳层20世世纪50年代年代主要用于道具主要用于道具涂涂层80年代低年代低压CVD成膜技成膜技术成成为研究研究热潮潮近年来近年来PECVD、LCVD等高等高速速发展展第11页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 2 化化学气学气相沉相沉积原理原理v2.1 化学气相沉化学气相沉积法定法定义v化化学学气气相相沉沉积是是利利用用气气态物物质经过化化学学反反应在在基基片片表面形成固表面形成固态薄膜一个成膜技薄膜一个成膜技术。v 化学气相沉化学气相沉积（CVD）v Chemical Vapor Depositionv CVD反反应是是指指反反应物物为气气体体而而生生成成物物之之一一为固固体体化学反化学反应。v CVD完全不一完全不一样于物理气相沉于物理气相沉积（PVD）第12页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 2 化化学气学气相沉相沉积原理原理vCVD法法实际上上很很早早就就有有应用用，用用于于材材料料精精制制、装装饰涂涂层、耐耐氧氧化化涂涂层、耐耐腐腐蚀涂涂层等等。在在电子子学学方方面面PVD法法用用于于制制作半作半导体体电极等。极等。v表表面面保保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、族族元元素素组成成新新氧氧化化膜膜，最最近近还开开发了了金金属属膜膜、硅硅化化物物膜等。膜等。vCVD法法能能得得到到致致密密高高纯度度膜膜，不不但但可可成成膜膜范范围广广泛泛且且含含有有极极高高附附着着强度度。只只要要可可靠靠地地控控制制就就能能够稳定定地地成成膜膜，即即使使在在深深孔孔中中，只只要要能能有有反反应气气体体进入入，就就能能方方便便地地在在孔孔壁壁、孔孔底底成成膜膜。基基于于上上述述优点点，其其应用用范范围正正日日益益扩大大，并并已已成成为半半导体体产业中不可缺乏关中不可缺乏关键技技术之一。之一。第13页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 2 化化学气学气相沉相沉积原理原理v2.2 CVD特征特征v下下列列图为CVD法法形形成成薄薄膜膜原原理理。在在反反应过程程中中，以以气气体体形形式式提提供供组成成薄薄膜膜原原料料，反反应尾尾气气由由抽抽气气系系统排排出出。经过热能能（辐射射、传导、感感应加加热等等）除除加加热基基板板到到适适当当温温度度之之外外，还对气气体体分分子子进行行激激发、分分解解，促促进其反其反应。分解生成物或反。分解生成物或反应产物沉物沉积在基板表面形成薄膜。在基板表面形成薄膜。第14页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 2 化化学气学气相沉相沉积原理原理v2.2 CVD特征特征v在在CVD中中，物物质移移动速速度度（气气体体分分子子向向基基板板表表面面输送送：反反应物物浓度度、扩散散系系数数、流流速速、边界界层厚厚度度）与与表表面面反反应速速率率（气气体体分分子子在在基基板板表表面面反反应：气气态反反应物物吸吸附附、反反应，气气态反反应产物物脱脱离离，反反应物物质浓度度，基基板板温温度度等等）决决定定着着膜膜层在在基板上沉基板上沉积速率。速率。第15页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 2 化化学气学气相沉相沉积原理原理v2.2 CVD特征特征v在在CVD过程程中中，只只有有发生生在在气气相相固固相相交交界界面面反反应才才能能在在基基体体上上形形成成致致密密固固态薄薄膜膜。假假如如反反应发生生在在气气相相，则生生成成固固态产物物只只能能以以粉粉末末形形态出出现。因因为在在CVD过程程中中，气气态反反应物物之之间化化学学反反应以以及及产物物在在基基体体上上析析出出过程程是是同同时进行行，所所以以CVD机机理理非非常常复复杂。CVD中中化化学学反反应受受到到气气相相与与固固相相表表面面接接触触催催化化作作用用，产物物析析出出过程程也也是是由由气气相相到到固固相相结晶晶生生长过程程。普普通通来来说，在在CVD反反应中中基基体体和和气气相相间要要保保持持一一定温度和定温度和浓度差，由二者决定度差，由二者决定过饱和度和度产生晶体生生晶体生产驱动力。力。第16页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 2 化化学气学气相沉相沉积原理原理v2.3 CVD法制法制备薄膜薄膜过程程CVD 反反应室室衬底底连续膜膜 8)副副产物去除物去除 1)反反应物物 质量量传输副副产物物 2)薄膜先薄膜先驱 物反物反应 3)气体分气体分 子子扩散散 4)先先驱物物 吸附吸附 5)先先驱物物扩散散 到到衬底中底中 6)表面反表面反应 7)副副产物解吸附作用物解吸附作用排气气体气体传送送第17页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 2 化化学气学气相沉相沉积原理原理v2.3 CVD法制法制备薄膜薄膜过程程简化四大化四大过程程v反反应气体被基体表面吸附；气体被基体表面吸附；v反反应气体向基体表面气体向基体表面扩散；散；v在基体表面在基体表面发生反生反应；v气气体体副副产品品经过基基体体表表面面由由内内向向外外扩散散而而脱脱离离表表面。面。第18页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 2 化化学气学气相沉相沉积原理原理v2.4 CVD反反应体系必体系必须具具备三个条件三个条件在在沉沉积温温度度下下，反反应物物含含有有足足够蒸蒸气气压，并并能能以以适适当速度被引入反当速度被引入反应室；室；反反应产物物除除了了形形成成固固态薄薄膜膜物物质外外，都都必必须是是挥发性；性；沉沉积薄膜和基体材料必薄膜和基体材料必须含有足含有足够低蒸气低蒸气压。第19页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 3 化化学气学气相沉相沉积优缺点缺点优点点即可制作金属、非金属薄膜，又可制作多即可制作金属、非金属薄膜，又可制作多组分合金薄膜；分合金薄膜；成成膜膜速速率率高高于于LPE和和MBE；（几几微微米米至至几几百百微微米米/min？）？）CVD反反应可在常可在常压或低真空或低真空进行，行，绕射性能好；射性能好；薄膜薄膜纯度高、致密性好、残余度高、致密性好、残余应力小、力小、结晶良好；晶良好；薄膜生薄膜生长温度低于材料熔点；温度低于材料熔点；薄膜表面平滑；薄膜表面平滑；辐射射损伤小。小。第20页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 3 化化学气学气相沉相沉积优缺点缺点缺点缺点 参参加加沉沉积反反应源源和和反反应后后气气体体易易燃燃、易易爆爆或或有有毒毒，需需环境境保保护办法，有法，有时还有防腐有防腐蚀要求；要求；反反应温温度度还是是太太高高，尽尽管管低低于于物物质熔熔点点；温温度度高高于于PVD技技术，应用中受到一定限制；用中受到一定限制；对基片基片进行局部表面行局部表面镀膜膜时很困很困难，不如，不如PVD方便。方便。第21页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 4 化化学气学气相沉相沉积主要反主要反应类型型CVD是是一一个个材材料料表表面面改改性性技技术术。它它利利用用气气相相间间反反应应，在在不不改改变变基基体体材材料料成成份份和和不不减减弱弱基基体体材材料料强强度度条条件件下下，赋赋予予材材料料表表面面一一些些特特殊殊性性能能。CVD是是建建立立在在化化学学反反应应基基础础上上，要要制制备备特特定定性性能能材材料料首首先先要要选选定定一一个个合合理理沉沉积积反反应应。用用于于CVD技技术术通通常常有有以以下下所所述述五五种反应类型种反应类型第22页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 4 化化学气学气相沉相沉积主要反主要反应类型型热分解反分解反应氧氧化化还原反原反应化化学学合成反合成反应化化学学输运运反反应等离子增强反等离子增强反应其其它它能源增强增强反能源增强增强反应第23页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 5 化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理化学气相沉积五个主要机构化学气相沉积五个主要机构(a)(a)反应物已扩散经过界面边界层；反应物已扩散经过界面边界层；(b)(b)反应物反应物吸附在基片表面；吸附在基片表面；(c)(c)化学沉积反应发生；化学沉积反应发生；(d)(d)部分生成物已扩散经过界面边界层；部分生成物已扩散经过界面边界层；(e)(e)生成物与反应物进入主气流里，并离开生成物与反应物进入主气流里，并离开系统系统 CVDCVD反反应应是是由由这这五五个个主主要要步步骤骤所所组组成成。因因为为进进行行这这五五个个发发生生次次序序成成串串联联，所所以以CVDCVD反反应应速速率率取取决决于于步步骤骤，将将由由这这五五个个步步骤骤里里面面最最慢慢一一个来决定个来决定第24页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 5 化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理1.1.输送现象输送现象热能传递主要有传导、对流、辐射三种方式热能传递主要有传导、对流、辐射三种方式热传导方式来进行基片加热装置 热热传传导导是是固固体体中中热热传传递递主主要要方方式式，是是将将基基片片置置于于经经加加热热晶晶座座上上面面，借借着着能能量量在在热热导导体体间间传传导导，来来到到达基片加热目标达基片加热目标第25页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 5 化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理 物物体体因因本本身身温温度度而而含含有有向向外外发发射射能能量量本本事事，这这种种热热传传递递方方式式叫叫做做热热辐辐射射。利利用用热热源源热热辐辐射射来来加加热热，是是另另一一个惯用方法个惯用方法 .第26页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 5 化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理 热传导是固体中热传递主要方式，是将基片热传导是固体中热传递主要方式，是将基片置于经加热晶座上面，借着能量在热导体间置于经加热晶座上面，借着能量在热导体间传导，来到达基片加热目标传导，来到达基片加热目标 v两种常见流体流动方式两种常见流体流动方式 第27页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 5 化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理CVD反应物从主气流里往基片表面扩散时反应物在边界层两端所形成浓度梯度 第28页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 5 化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理v反反应动力力学学是是一一个个把把反反应热力力学学预言言变为现实，使使反反应实际进行行问题；它它是是研研究究化化学学反反应速速度度和和各各种种原因原因对其影响科学。其影响科学。v CVD反反应动力力学学分分析析基基本本任任务是是：经经过过试试验验研研究究薄薄膜膜生生长长速速率率，确确定定过过程程速速率率控控制制机机制制，方方便便深深入入调整工艺参数，取得高质量、厚度均匀薄膜调整工艺参数，取得高质量、厚度均匀薄膜。第29页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 5 化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理CVDSiO2沉积沉积速率与温度之间关系沉积沉积速率与温度之间关系曲线曲线 基基本本上上CVDSiOCVDSiO2 2沉沉积积速速率率，将将伴伴随随温温度度上上升升而而增增加加。但但当当温温度度超超出出某某一一个个范范围围之之后后，温温度度对对沉沉积积速速率率影影响响将将变变得得迟缓且不显著迟缓且不显著 第30页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 5 化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理 (a)CVDa)CVD反应为表面反应限制时反应为表面反应限制时和和 (b)(b)当当CVDCVD反应为扩散限制时，反应为扩散限制时，反应气体从主气流里经边界层往反应气体从主气流里经边界层往基片表面扩散情形基片表面扩散情形 所所发发生生情情形形，决决于于CVDCVD反反应应速速率率，所所以以称称为为“表表面面反反应应限限制制”所所发发生生情情形形，因因包包括括气气体体扩扩散散能能力力，故故称称为为“扩扩散散限限制制”，或或“质传限制质传限制”第31页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 5 化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理v表面反表面反应速率控制速率控制CVD 薄薄膜膜沉沉积速速率率是是由由表表面面反反应速速率率控控制制，那那么么衬底底温温度度对沉沉积速速率率有有比比较大大影影响响，因因为表表面面化化学学反反应对温温度度改改变非非常常敏敏感感。当当温温度度升升高高时，反反应速速率率增增加加，薄薄膜膜沉沉积速速率率加加紧。当当温温度度升升高高到到一一定定程程度度时，因因为反反应速速度度加加紧，输运运到到表表面面反反应剂数数量量低低于于表表面面反反应所所需需数数量量，这时沉沉积速速率率转为由由质量量输运运控控制，反制，反应速度不再随温度改速度不再随温度改变而改而改变。第32页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 5 化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理v质量量输运控制运控制CVDv质量量输运运过程程是是经过气气体体扩散散完完成成，扩散散速速度度与与气气体体扩散散系系数和数和边界界层内内浓度梯度相关。度梯度相关。质量量输运运速速率率控控制制薄薄膜膜沉沉积速速率率与与主主气气流流速速度度平平方方根根成成正正比比，增增加加气气流流速速度度能能够提提升升薄薄膜膜沉沉积速速率率，当当气气流流速速率率大大到到一一定定程程度度时，薄薄膜膜沉沉积速速率率抵抵达达一一稳定定值不不再再改改变。沉沉积速速率率转变为由表面反由表面反应速度控制。速度控制。v在在由由质量量输运运速速度度控控制制沉沉积过程程中中，要要得得到到均均匀匀薄薄膜膜，必必须严格格控控制制抵抵达达各各硅硅片片表表面面反反应剂浓度度，各各硅硅片片温温度度均均匀匀性性次次要原因。要原因。v在在由由表表面面反反应速速度度控控制制沉沉积过程程中中，必必须严格格控控制制各各硅硅片片表表面温度，使各硅片均面温度，使各硅片均处于一个恒温于一个恒温场中。中。第33页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 5 化化学气学气相沉相沉积热力力学与学与动力力学学原理原理v CVD反反应应进进行行，包包括括到到能能量量、动动量量、及及质质量量传传递递。反反应应气气体体是是借借着着扩扩散散效效应应，来来经经过过主主气气流流与与基基片片之之间间边边界界层层，方方便便将将反反应应气气体体传传递递到到基基片片表表面面。接接着着因因能能量量传传递递而而受受热热基基片片，将将提提供供反反应应气气体体足足够够能能量量以以进进行行化化学学反反应应，并并生生成成固固态态沉沉积积物物以以及及其其它它气气态态副副产产物物。前前者者便便成成为为沉沉积积薄薄膜膜一一部部分分；后后者者将将一一样样利利用用扩扩散散效效应应来来经经过过边边界界层层并并进进入入主主气气流流里里。至至于于主主气气流流基基片片上上方方分分布布，则则主主要要是是与与气气体体动动量量传传递递相相关。关。第34页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 6 化化学气学气相沉相沉积适用范适用范围v化化学学气气相相沉沉积积作作为为2020世世纪纪6060年年代代初初前前后后快快速速发发展展起起来来一一个个无无机机材材料料制制备备技技术术，因因为为他他设设备备简简单单，成成本本低低廉廉，因因而而广广泛泛用用于于高高纯纯物物质质制制备备、合合成成新新晶晶体体及及沉沉积积各各种种单单晶晶态态、多多晶晶态态无无机机功功效效薄薄膜膜材材料料。这这些些材材料料能能够够是是氧氧化化物物、硫硫化化物物、氮氮化化物物、碳碳化化物物也也能能够够是是-，-，-族族中中二二元元或或多多元元元元素素间间化化合合物物，而而且且它它们们物物理理功功效效能能够够经经过过气气相相掺掺杂杂沉沉积积过过程程准准确确控控制制。伴伴随随半半导导体体工工业业发发展展，物物理理气气相相沉沉积被广泛利用于金属镀膜中。积被广泛利用于金属镀膜中。第35页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 6 化化学气学气相沉相沉积适用范适用范围v切削工具方面应用切削工具方面应用v用用CVD涂覆刀具能有效地控制在车、铣和钻孔过程涂覆刀具能有效地控制在车、铣和钻孔过程中出现磨损，在这里应用了硬质台金刀具和高速钢中出现磨损，在这里应用了硬质台金刀具和高速钢刀具。尤其是车床用转位刀片、铣刀、刮刀和整体刀具。尤其是车床用转位刀片、铣刀、刮刀和整体钻头等。使用涂层为高耐磨性碳化物、氯化物、碳钻头等。使用涂层为高耐磨性碳化物、氯化物、碳氯化台物、氧化物和硼化物等涂层。氯化台物、氧化物和硼化物等涂层。TiN与金属亲与金属亲和力小，抗粘附能力和抗月牙形磨损性能比和力小，抗粘附能力和抗月牙形磨损性能比TiC涂涂层优越，所以，刀具上广泛使用是层优越，所以，刀具上广泛使用是TiN涂层。涂层。第36页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 6 化化学气学气相沉相沉积适用范适用范围v模具方面应用模具方面应用工工模模具具在在工工业业生生产产中中占占有有主主要要地地位位，怎怎样样提提升升工工模模具具表表面面性性能能和和使使用用寿寿命命一一直直是是材材料料与与工工艺艺研研究究重重点点之之一一，CVDCVD技技术术在在工工模模具具上上推推广广应应用用，对对传传统统工工模模具制造是个突破。具制造是个突破。金金属属材材料料在在成成形形时时，会会产产生生高高机机械械应应力力和和物物理理应应力力，原原来来工工模模具具抗抗磨磨能能力力，抗抗接接触触能能力力及及摩摩擦擦系系数数等等机机械械性性能能是是靠靠基基体体材材料料来来实实现现，采采取取该该技技术术后后，CVDCVDTiNTiN涂层作为表面保护层。涂层作为表面保护层。第37页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 6 化化学气学气相沉相沉积适用范适用范围v在耐磨涂层机械零件方面应用在耐磨涂层机械零件方面应用v在在许许多多特特殊殊环环境境中中使使用用材材料料往往往往需需要要有有涂涂层层保保护护，以以使使其其含含有有耐耐磨磨，耐耐腐腐蚀蚀，耐耐高高温温氧氧化化和和耐耐辐辐射射等等功功效效。SiC、Si3N4、MoSi2等等硅硅系系化化合合物物是是最最主主要要高高温温耐耐氧氧化化涂涂层层。这这些些涂涂层层在在表表面面上上生生成成致致密密SiO2薄薄膜膜，起起着着阻阻止止氧氧化化作作用用，在在14001600下下能能耐耐氧化。氧化。Mo和和WCVD涂层亦含有优异高温耐腐蚀性。涂层亦含有优异高温耐腐蚀性。第38页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 6 化化学气学气相沉相沉积适用范适用范围v微电子技术微电子技术v 在在半半导导体体器器件件和和集集成成电电路路基基本本制制造造流流程程中中，相相关关半半导导体体膜膜外外延延，P-N结结扩扩散散元元形形成成、介介质质隔隔离离、扩扩散散掩掩膜膜和和金金属属膜膜沉沉积积等等是是工工艺艺关关键键步步骤骤，化化学学气气相相沉沉积积在在制制备备这这些些材材料料层层过过程程中中逐逐步步取取代代了了如如硅硅高高温温氧氧化化和和高高温温扩扩散散等等旧旧工工艺艺，在在当当代代微微电电子子技技术术中中占占主主导导地地位位，在在超超大大规规模模集集成成电电路路中中，化化学学气气相相沉沉积积能能够够用用来来沉沉积积多多晶晶硅硅膜膜，钨钨膜膜、铅铅膜膜、金金属属硅硅化化物物，氧氧化化硅硅膜膜以以及及氮氮化化硅硅膜膜等等，这这些些薄薄膜膜材材料料能能够够用用作作栅栅电电极极，多多层布线层间绝缘膜，金属布线，电阻以及散热材料等。层布线层间绝缘膜，金属布线，电阻以及散热材料等。第39页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 6 化化学气学气相沉相沉积适用范适用范围v超导技术超导技术v CVD制制备备超超导导材材料料是是美美国国无无线线电电企企业业（RCA）在在20世世纪纪60年年代代创创造造，用用化化学学气气相相沉沉积积生生产产Nb3Sn低低温温超超导导材材料料涂涂层层致致密密，厚厚度度较较易易控控制制，力力学学性性能能好好，是是当当前前烧烧制制高高场场强强、小小型型磁磁体体最最优优材材料料，为为提提升升Nb3Sn超超导导性性能能，很很多多国国家家在在掺掺杂杂、基基带带材材料料、脱脱氢氢、热热处处理理以以及及镀镀铜铜稳稳定定等等方方面面做做了了大大量量研研究究工作，使工作，使CVD法成为生产法成为生产Nb3Sn主要方法之一。主要方法之一。第40页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 6 化化学气学气相沉相沉积适用范适用范围v其它领域应用其它领域应用v在在光光学学领领域域中中，金金刚刚石石薄薄膜膜被被称称为为未未来来光光学学材材料料，它它含含有有波波段段透透明明和和极极其其优优异异抗抗热热冲冲击击、抗抗辐辐射射能能力力，可可用用作作大大功功率率激激光光器器窗窗口口材材料料，导导弹弹和和航航空空、航航天天装装置置球球罩罩材材料料等等。金金刚刚石石薄薄膜膜还还是是优优良良紫紫外外敏敏感感材材料料。而而且且上上海海交交通通大大学学把把CVDCVD金金刚刚石石薄薄膜膜制制备备技技术术应应用用于于拉拉拔拔模模具具，不不但但攻攻克克了了涂涂层层均均匀匀涂涂覆覆、附附着着力力等等关关键键技技术术，而而且且处处理理了了金金刚刚石石涂涂层层抛抛光光这这一一国国际性难题。际性难题。第41页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置vCVDCVD装置基本组成部分装置基本组成部分气相反应室气相反应室加热系统加热系统气体控制系统气体控制系统排气系统排气系统CVD装置装置第42页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置vCVD装置类型：装置类型：v（1）高温和低温）高温和低温CVD装置；装置；v（2）等离子体辅助化学气相沉积（）等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）v（3）低压）低压CVD（LPCVD）装置；）装置；v（4）金属有机合物）金属有机合物CVD（MOCVD）装置；）装置；v（5）激光辅助）激光辅助CVD装置；装置；第43页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置v7.1高低温高低温CVD装置装置 v高温高温CVD系统：系统：广泛用于制备半导体外延薄膜，以确保薄广泛用于制备半导体外延薄膜，以确保薄膜材料生长质量。膜材料生长质量。v高温高温CVD系统又分热壁式和冷壁式两种，系统又分热壁式和冷壁式两种，热壁式：热壁式：使用外使用外置加热器将整个反应室加热至较高温度。置加热器将整个反应室加热至较高温度。v作用：现有利于实现源物质输运，作用：现有利于实现源物质输运，也能够降低放热（也能够降低放热（H 0）反应反应产物在反应容器壁）反应反应产物在反应容器壁上沉积。上沉积。第44页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置第45页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置v低温低温CVD系统系统用于各类绝缘介质薄膜沉积。因为用作半导体器件引线用于各类绝缘介质薄膜沉积。因为用作半导体器件引线Al与与Si基底在基底在450 以上要发生化学反应，低温以上要发生化学反应，低温CVD装置装置（等离子体辅助（等离子体辅助CVD系统等）工作温度多低于这一温度。系统等）工作温度多低于这一温度。第46页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置v7.2 等离子体等离子体CVD（PCVD）v在保持一定压力原料气体中，输入直流、高频或微波功率，产生在保持一定压力原料气体中，输入直流、高频或微波功率，产生气体放电，形成等离子体。在气体放电等离子体中，因为低速电气体放电，形成等离子体。在气体放电等离子体中，因为低速电子与气体原子碰撞，故除产生正、负离子之外，还士产生大量活子与气体原子碰撞，故除产生正、负离子之外，还士产生大量活性基（激发原子、分子等），从而可大大增强反应气体活性。这性基（激发原子、分子等），从而可大大增强反应气体活性。这么，在相对较低温度下，即可发生反应，沉积薄膜。么，在相对较低温度下，即可发生反应，沉积薄膜。等离子体沉积薄膜原理等离子体沉积薄膜原理第47页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置v7.2 等离子体等离子体CVD（PCVD）vPCVD低温工艺意味着，电子元器件在制作过程中、制成之低温工艺意味着，电子元器件在制作过程中、制成之后或因返修需要，也能够进行镀膜。而且，像石灰苏打玻璃后或因返修需要，也能够进行镀膜。而且，像石灰苏打玻璃等低熔点玻璃、聚酞亚胺膜等非耐热性基板也能够采取。尤等低熔点玻璃、聚酞亚胺膜等非耐热性基板也能够采取。尤其是，采取平行平板高频辉光放电其是，采取平行平板高频辉光放电PCVD技术，近年来在技术，近年来在电子信息产业中得到广泛应用。首先，对于超大规模集成电电子信息产业中得到广泛应用。首先，对于超大规模集成电路制作来说，路制作来说，Al电极布线形成之后，作为最终保护膜硅氮电极布线形成之后，作为最终保护膜硅氮化膜（化膜（SiN）形成，以及为了平坦化，作为层间绝缘膜硅氧）形成，以及为了平坦化，作为层间绝缘膜硅氧化膜形成等，都成功地采取了化膜形成等，都成功地采取了PCVD技术。而且，作为薄技术。而且，作为薄膜器件，以玻璃为基板有源矩阵方式膜器件，以玻璃为基板有源矩阵方式 LCD显示器用薄膜三显示器用薄膜三极管（极管（TFT）制作等，也成功地采取了）制作等，也成功地采取了PCVD技术。技术。第48页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置v7.3 低压低压CVD（LPCVD）装置）装置v工作压力低于工作压力低于0.1MPaCVD装置属于低压装置属于低压CVD装置。装置。v反反应应气气体体扩扩散散系系数数提提升升三三个个数数量量级级，同同时时气气体体流流速速也也提提升升了了12个个数数量量级级，低低工工作作气气压压能能够够提提升升反反应应气气体体和和反反应应产产物物经经过过边边界界层层扩散能力，能够将沉积速率提升一个数量级。扩散能力，能够将沉积速率提升一个数量级。优点总结：沉积速率优点总结：沉积速率高；厚度均匀性好；高；厚度均匀性好；气相形核引发颗粒污气相形核引发颗粒污染几率小；薄膜较为染几率小；薄膜较为致密；致密；第49页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置v7.4 金属有机化合物金属有机化合物CVD（MOCVD）MOCVD常常压MOCVD低低压MOCVD原子原子层外延外延（ALE）激光激光MOCVD在在MOCVDMOCVD过程中，金属有过程中，金属有机源（机源（MOMO源）能够在热解源）能够在热解或光解作用下，在较低温或光解作用下，在较低温度沉积出对应各种无机材度沉积出对应各种无机材料，如金属、氧化物、氮料，如金属、氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和化物、氟化物、碳化物和化合物半导体材料等薄膜。化合物半导体材料等薄膜。如今，利用如今，利用MOCVDMOCVD技术不技术不但能够改变材料表面性能，但能够改变材料表面性能，而且能够直接组成复杂表而且能够直接组成复杂表面结构，创造出新功效材面结构，创造出新功效材料。料。第50页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置v7.4 金属有机化合物金属有机化合物CVD（MOCVD）v 优点：优点：可生长极薄薄膜。可生长极薄薄膜。可实现多层结构卫超晶格可实现多层结构卫超晶格结构。结构。可进行多元混晶成份控制。可进行多元混晶成份控制。以化合物半导以化合物半导体批量化生产为目标。体批量化生产为目标。v缺点：缺点：设备复杂，昂贵，原料价高且受限制；设备复杂，昂贵，原料价高且受限制；第51页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置v7.4 金属有机化合物金属有机化合物CVD（MOCVD）MOCVDMOCVD设设备备深深入入改改进进主主要要有有三三个个方方面面：取取得得大大面面积积和和高高均均匀匀性性薄薄膜膜材材料料；尽尽可可能能降降低低管管道道系系统统死死角角和和缩缩短短气气体体通通断断间隔时间，以生长超薄层和超晶格结构材料间隔时间，以生长超薄层和超晶格结构材料 第52页桂林桂林电子科技大子科技大学学材料科材料科学与学与工程工程学学院院 7 化化学气学气相沉相沉积装置装置v7.5 激光辅助激光辅助CVD（LCVD）v激光化学气相沉积利用激光束实现薄膜化学气相沉积。激光化学气相沉积利用激光束实现薄膜化学气相沉积。从本质上从本质上讲，由激光触发化学反应有两种机制：一