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化学气相沉积 何俊祥 化学气相沉积合成方法发展 化学气相沉积乃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。 化学气相沉积的英文词原意是化学蒸汽沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD），因为很多反应物质在通常条件下是液态或固态，经过汽化成蒸汽再参与反应的。 化学气相沉积的古老原始形态可以追朔到古人类在取暖或烧烤时熏在岩洞壁或岩石上的黑色碳层。 从20世纪60～70年代以来由于半导体和集成电路技术发展和生产的需要，CVD技术得到了更迅速和更广泛的发展。 化学气相沉积法的概念 化学气相沉积乃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。 简单来说就是：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到基片表面上。 化学气相淀积原理 化学气相沉积法的原理 用于CVD技术的通常有如下所述五种反应类型。 (1)热分解反应 (2)氧化还原反应沉积 (3)化学合成反应沉积 (4)化学输运反应沉积 (5)等离子体增强的反应沉积 (6)其他能源增强反应沉积 化学气相沉积法的适用范围 在切削工具方面的应用 用CVD涂覆刀具能有效地控制在车、铣和钻孔过程中出现的磨损，刀具上广泛使用的是TiN涂层。 在耐磨涂层机械零件方面的应用 活塞环、注射成形用缸体，挤压用螺旋浆轴及轴承等零部件在滑动中易磨损，因此，要求耐磨性好、摩擦因数低、与基体的粘附性好的材料。 微电子技术 在半导体器件和集成电路的基本制造流程中，有关半导体膜的外延，P-N结扩散元的形成、介质隔离、扩散掩膜和金属膜的沉积等是工艺核心步骤，化学气相沉积在制备这些材料层的过程中逐渐取代了如硅的高温氧化和高温扩散等旧工艺，在现代微电子技术中占主导地位，在超大规模集成电路中，化学气相沉积可以用来沉积多晶硅膜，钨膜、铅膜、金属硅化物，氧化硅膜以及氮化硅膜等，这些薄膜材料可以用作栅电极，多层布线的层间绝缘膜，金属布线，电阻以及散热材料等。 CVD技术的分类 CVD技术根据能源形式或者压力可分为 低压CVD(LPCVD) 常压CVD(APCVD) 等离子体增强CVD(PECVD) 光反应式CVD(PHCVD) 在集成电路及半导体器件应用的CVD技术方面，美国和日本，特别是美国占有较大的优势。 日本在蓝色发光器件中关键的氮化镓外延生长方面取得突出进展，以实现了批量生产。 1968年K .Masashi等首次在固体表面用低汞灯在P型单晶硅膜，开始了光沉积的研究。 1972年Nelson和Richardson用CO2激光聚焦束沉积出碳膜，从此发展了激光化学气相沉积的工作。 继Nelson后，美国S. D. Allen，Hagerl等许多学者采用几十瓦功率的激光器沉积SiC、Si3N4等非金属膜和Fe、Ni、W、Mo等金属膜和金属氧化物膜。 前苏联Deryagin Spitsyn和Fedoseev等在20世纪70年代引入原子氢开创了激活低压CVD金刚石薄膜生长技术，80年代在全世界形成了研究热潮，也是CVD领域一项重大突破。CVD技术由于采用等离子体、激光、电子束等辅助方法降低了反应温度，使其应用的范围更加广阔。 中国CVD技术生长高温超导体薄膜和CVD基础理论方面取得了一些开创性成果。 1990年以来中国在激活低压CVD金刚石生长热力学方面，根据非平衡热力学原理,开拓了非平衡定态相图及其计算的新领域，第一次真正从理论和实验对比上定量化的证实反自发方向的反应可以通过热力学反应耦合依靠另一个自发反应提供的能量推动来完成。 * CVD技术 低压CVD(LPCVD)设备 低压淀积设备是在炉管中完成，如右图 等离子体增强淀积设备 激发活化的能量 非平衡等离子体 相对低温有高的沉淀速率 射频控制 等离子体增强式积淀设备 光反应式积淀设备 图4-9 (a) 卧式反应器 图4-9 (b)立式反应器 图4-9 (c) 桶式反应器 图 4.10 热壁LPCVD装置示意图 *