第4章薄膜的化学气相沉积.ppt

1第四章薄膜的化学气相沉积(Chemical vapor deposition) 2 第一节化学气相沉积反应的类型第二节化学气相沉积过程的热力学第三节化学气相沉积过程的动力学第四节化学气相沉积装置 3简介化学气相沉积( chemical vapor deposition, CVD ) 利用气态的先驱反应物,通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。与 PVD 时的情况不同, ? CVD 过程多是在相对较高的压力环境下进行的,因为较高的压力有助于提高薄膜的沉积速率。?气体的流动状态已处于黏滞流状态。?气相分子的运动路径不再是直线,在衬底上的沉积几率也不再等于 100 %,而是取决于气压、温度、气体组成、气体激发状态、薄膜表面状态等多个复杂因素的组合。? CVD 薄膜可以被均匀地涂覆在复杂零件的表面上而较少受到阴影效应的限制。 4应用范围包括: 、光电子器件所需的各种薄膜; ; 。在高质量的半导体晶体外延(epitaxy )技术以及各种绝缘材料薄膜的制备中大量使用化学气相沉积技术。 5 、非晶态的金属、半导体、化合物薄膜的制备; ; ; 。优点: 6第一节化学气相沉积所涉及的化学反应类型一、热解反应二、还原反应三、氧化反应四、置换反应五、岐化反应六、可逆反应七、气相运输 7 一、热解反应(thermal position/dissociation) 许多元素的氢化物、羟基化合物和有机金属化合物可以以气态存在,且在适当的条件下会在衬底上发生热解反应生成薄膜。如: SiH 4热解沉积多晶 Si和非晶 Si的反应 4 2 ( ) ( ) 2 ( ) SiH g Si s H g ? ? (650 °C) (4-1 ) 在传统的镍提纯过程中使用的羰基镍热解生成金属 Ni 4 ( ) ( ) ( ) 4 ( ) Ni CO g Ni s CO g ? ? (180 °C) (4-2) 8 二、还原(reduction) 反应许多元素的卤化物、羟基化合物、卤氧化物等虽然也可以气态存在,但它们具有相当的热稳定性,因而需要采用适当的还原剂才能将其置换出来。如利用 H 2还原 SiCl 4制备单晶硅外延层的反应 4 2 ( ) 2 ( ) ( ) 4 ( ) SiCl g H g Si s HCl g ? ??(1200 °C)( 4-3 ) 各种难熔金属如 W、 Mo 等薄膜的制备反应 6 2 ( ) 3 ( ) ( ) 6 ( ) WF g H g W s HF g ? ??(300 °C)( 4-4 ) 说明:适用于作为还原剂的气态物质中 H 2最容易得到,因而利用得最多的是 H 2。 9 三、氧化(oxidation) 反应与还原反应相反,利用 O 2作为氧化剂对 SiH 4进行的氧化反应为 4 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 2 ( ) SiH g O g SiO s H g ? ??另外,还可以利用 4 2 2 2 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) 4 ( ) SiCl g H g O g SiO s HCl g ? ???实现 SiO 2的沉积。这两种方法各应用于半导体绝缘层和光导纤维原料的沉积。前者要求低的沉积温度,而后者的沉积温度可以很高,但沉积速度要求较快。 H 2O也可以作为一种氧化剂,用于制备 SiO 2, Al 2O 3 等薄膜(450 ℃)(1500 ℃) 10 四、置换( replacement )反应只要所需物质的反应先驱物可以气态存在并且具有反应活性,就可以利用化学气相沉积的方法沉积其化合物。如各种碳、氮、硼化物的沉积 4 4 ( ) ( ) ( ) 4 ( ) SiCl g CH g SiC s HCl g ? ??(1400 °C)( 4-8 ) 2 2 3 3 4 2 3 ( ) 4 ( ) ( ) 6 ( ) 6 ( ) SiCl H g NH g Si N s H g HCl g ? ???(750 °C)( 4-9 )