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1、气 相 沉 积 技 术vapor deposition technology Date:2010.10.13,气 相 沉 积 技 术,气相沉积技术概述,物理气相沉积,化学气相沉积,小结,四,一,二,三,一、气相沉积技术概述,气相沉积技术是一种在基体上形成一层功能膜的技术，利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。,物理气相沉积(PVD),气相沉积技术,化学气相沉积(CVD),区别在于：反应物的来源是否经过化学变化。,PVD和CVD的对比,二、物理气相沉积,物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD)指的是利
2、用某种物理的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物理表面原子的溅射现象，实现物质从原物质到薄膜的可控的原子转移过程。PVD 法已广泛用于机械、航空、电子、轻工和光学等工业部门中制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、磁性、光学、装饰、润滑、压电和超导等各种镀层，已成为国内外近20年来争相发展和采用的先进技术之一。主要分类：-蒸发（热化、电子束、RF）-溅射（RF、DC、磁控）-其它方法（脉冲激光沉积、分子束延展、离子镀）,2.1 热蒸镀法,：热蒸镀法（Thermal Evaporation Deposition）是利用升高薄膜材料温度，使其有固体溶解然后气化（或直接由固体升华为气体），气态薄膜材料之原
3、子或分子同时因具有加温后之动能而飞向基板沉积为固体薄膜。有下列几种不同的加热方式：1.热电阻加热法（Resitive Heating）2.电子枪蒸镀法（Electron Beam Gun Evaporation）3.雷射蒸镀法（Laser Deposition）4.分子束磊晶成长法（Molecular Beam Epitaxy）,定义,2.1 热蒸镀法,8,常用的几种加热器形状,丝状,舟状,坩埚,2.2 溅 镀 法,溅镀法（Sputtering Deposition）：在低真空度中及高电压下产生辉光放电形成电浆，携带能量之正离子飞向阴极轰击阴极之薄膜材料（靶材，Target）表面而将靶材之原子
4、或分子撞击出且沉积在基板上。,蒸镀法和溅镀法的比较,物理气相沉积小结,三、化学气相沉积,化学气相沉积法（chemical vapor deposition,CVD)是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术,1.热解反应（pyrolytic reaction）,2.还原反应（reduction reaction）,3.氧化反应(reduction reaction),4.置换反应(displacement reaction),5.岐化反应(disproportionation reactio
5、n),6.气相运输(vapor transportation),3.1 化学气相沉积中的化学反应类型,14,3.1.1 热 解 反 应,热分解反应是最简单的沉积反应，利用热分解反应沉积材料一般在简单的单温区炉中进行，其过程通常是首先在真空或惰性气氛下将衬底加热到一定温度，然后导入反应气态源物质使之发生热分解，最后在衬底上沉积出所需的固态材料。热分解反应可应用于制备金属、半导体以及绝缘材料等。,如：SiH4热解沉积多晶Si和非晶Si的反应,(650C),在传统的镍提纯过程中使用的羰基镍（nickel）热解生成金属Ni,(180C),15,3.1.2 还原反应,许多元素的卤化物、羟基化合物、卤氧化
6、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H2还原SiCl4制备单晶硅外延层的反应,（1200C）,各种难熔金属如W、Mo等薄膜的制备反应,（300C）,说明：适用于作为还原剂的气态物质中H2最容易得到，因而利用得最多的是H2。,16,3.1.3 氧化反应,与还原反应相反，利用O2作为氧化剂对SiH4进行的氧化反应为,另外，还可以利用,实现SiO2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。前者要求的沉积温度低，而后者的沉积温度可以很高，但沉积速度要求较快。,17,3.1.4 置换反应,只要所需物质的反应先驱物可以气态
7、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,（1400C）,（750C）,18,3.1.5 歧化反应,某些元素具有多种气态化合物，其稳定性各不相同，外界条件的变化往往可促使一种化合物转变为稳定性较高的另一种化合物。,可利用歧化反应实现薄膜的沉积，如,（300-600C）,反应特点：1、GeI2和GeI4中的Ge分别是以+2价和+4价存在的；2、提高温度有利于GeI2的生成。,19,3.1.6 气相运输,当某一物质的升华温度不高时，可以利用其升华和冷凝的可逆过程实现其气相沉积。例如：,（T1，T2）,在沉积装置中，处于较高温度T1的CdTe发生升
8、华，并被气体夹带输运到处于较低温度T2的衬底上发生冷凝沉积。,3.2 化学气相沉积模式及原理过程,21,CVD过程,化学气相沉积原理,Vaporization and transport of precursor molecules into reactor Diffusion of precursor molecules to surface Adsorption of precursor molecules to surface Decomposition of precursor molecules on surface and incorporation into solid film
9、s Recombination of molecular byproducts and desorption into gas phase,化学气相沉积系统中沉积薄膜主要发生的步骤,Plot of the normalized MOCVD growth rate of GaAs as a function of growth temperature.(After ref.53,Copyright John Wiley&Sons Limited,1987.Reproduced with permission.),3.3 化学气相沉积的类型,（1）按沉积温度,（2）按反应器内的压力,常见的CVD技
10、术比较,27,4,3.3.1 常压化学气相淀积（APCVD）,28,APCVD的缺点：1 硅片水平放置，量产受限，易污染。2 反应速度受多种因素影响，反应室尺寸、气体流 速、硅片位置等都会影响速度。3均匀性不太好，所以APCVD一般用在厚的介质 淀积。APCVD系统的优点:具有高沉积速率，可达600010000埃/min,通常在集成电路制程中。APCVD只应用于生长保护钝化层。,3.3.2.低压化学汽相淀积(LPCVD),30,LPCVD系统的优点：具有优异的薄膜均匀度，以及较佳的阶梯覆盖能力，并且可以沉积大面积的芯片；LPCVD的缺点：沉积速率较低，而且经常使用具有毒性、腐蚀性、可燃性的气体
11、。由于LPCVD所沉积的薄膜具有较优良的性质，因此在集成电路制程中LPCVD是用以成长单晶薄膜及其对品质要求较高的薄膜。APCVD生长速率快，但成膜均匀性不好，容易产生影响薄膜质量的微粒，基本不应用于集成电路制造。,3.3.3.等离子体增强化学气相淀积,等离子体增强化学气相淀积(PECVD)是指采用高频等离子体驱动的一种气相淀积技术，是一种射频辉光放电的物理过程和化学反应相结合的技术。该气相淀积的方法可以在非常低的衬底温度下淀积薄膜，例如在铝(AL)上淀积Si02。工艺上PECVD主要用于淀积绝缘层。,3.3.4 PECVD反应器的结构示意图,热板式PECVD反应器的结构示意图,33,PECV
12、D的沉积原理与一般的CVD之间并没有太大的差异。等离子体中的反应物是化学活性较高的离子或自由基，而且衬底表面受到离子的撞击也会使得化学活性提高。这两项因素都可促进基板表面的化学反应速率，因此PECVD在较低的温度即可沉积薄膜。在集成电路制程中，PECVD通常是用来沉积SiO2 与Si3N4 等介电质薄膜。PECVD的主要优点是具有较低的沉积温度下达到高的沉积速率。,3.4.5 金属有机化学气相淀积,金属有机物化学气相淀（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称 MOCVD），1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。该
13、设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、电脑多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化鎵）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极体芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。,各组分和掺杂剂都是以气态的方式通入反应室,对MOCVD的生长过程进行在位监测,反应室中气体流速较快,晶体生长以热解化学反应的方式进行,使用较灵活对真空度的要求较低,晶体生长速率与族源的流量成正比,优点,MOCVD的优点,MOCVD装置,MOCVD装置示意图,气体的对流(Convection)：对流是与扩散不同的气体流动方式；特点：热气上升、冷气下降；抑制对流的方法：提高气流流速可抑制对流；高温区上置可抑制对流；对流的利用：对流可以提高质量输运，从而提高薄膜的生长速率；,MOCVD中的对流,CVD工艺,A CVD成膜温度远低于体材料的熔点,对薄膜表面形成污染对环境的污染,薄膜的成分精确可控配比范围大,淀积速率一般高于PVD,CVD可以淀积集成电路中的各种薄膜,淀积膜结构完整、致密良好的台阶覆盖能力且与衬底粘附性好。,3.4 CVD工艺的优缺点,气相沉积技术 物理气相沉积化学气相沉积热蒸镀法溅 镀 法,
