第6章-化学气相淀积汇编.ppt

第六章 化学气相淀积 化学气相淀积 化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition），简称CVD。 是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或者液态反应剂的蒸气，以合理的流速引入反应室，在衬底表面发生化学反应并在衬底表面上淀积薄膜。 CVD的基本理论主要包括气相化学反应、热力学、动力学、热传导、流体力学、表面反应、等离子反应、薄膜物理等。 本章内容 6.1CVD模型 6.2化学气相淀积系统 6.3CVD多晶硅的特性和淀积方法 6.4CVD二氧化硅的特性和淀积方法 6.5CVD氮化硅的特性及淀积方法 6.6金属的化学气相淀积 6.1 CVD模型 化学气相淀积步骤： (1)反应剂气体以合理的速流被输送到反应室内，气流从入口进入反应室并以平流形式向出口流动、平流区也称为主气流区，其气体速流是不变的 。 (2)反应剂从主气流区以扩散方式通过边界层到达衬底表面，边界层是主气流区与硅片表面之间气流速度受到扰动的气体薄层。 化学气相淀积步骤： (3)反应剂被吸附在硅片的表面，成为吸附原子（分子）。 (4)吸附原子（分子）在衬底表面上发生化学反应，生成薄膜的基本元素并淀积成薄膜。 (5)化学反应的气态副产物和未反应的反应剂离开衬底表面，进入主气流区被排除系统。 要完成薄膜的沉积，CVD的化学反应还必须满足以下几个条件： （1）在淀积温度下，反应剂必须具备足够高的蒸气压； （2）除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性的； （3）淀积物本身必须具有足够低的蒸气压，这样才能保证在整个淀积过程中，薄膜能够始终留在衬底表面上； （4）薄膜淀积所用的时间应该尽量短以满足高效率和低成本的要求； 要完成薄膜的沉积，CVD的化学反应还必须满足以下几个条件： （5）淀积温度必须足够低以避免对先前工艺产生影响； （6）CVD 不允许化学反应的气态副产物进入薄膜中； （7）化学反应应该发生在被加热的衬底表面，如果在气相发生化学反应，将导致过早核化，降低了薄膜的附着性和密度、增加了薄膜的缺陷、降低了淀积速率，浪费反应气体等。 6.1.2 边界层理论 流体力学、反应剂输运、温度分布。平均自由程小，黏滞性 泊松流：沿主气流方向没有速度梯度，而沿垂直气流方向的流速为抛物线型变化。如图所示，气体从反应室左端进气口以均匀柱形流进，并以完全展开的抛物线型流出。 6.1.2 边界层理论 边界层：速度受到扰动并按抛物线型变化、同时存在反应剂浓度梯度的薄层，附面层，滞流层。 边界层是一个过度区域，存在于气流速度为零的硅片表面与气流速度为Um的主气流区之间。该层厚度 定义为从速度为零的硅片表面到气流速度为0.99 Um时的区域厚度。 边界层厚度δ（x）与距离x之间的关系可以表示为 其中，μ是气体的黏滞系数，ρ为气体的密度，图中的虚线是气流速度U达到主气流速度Um的99%的连线，也就是边界层的边界位置。 设L为基座的长度，边界层的平均厚度可以表示为 Re为气体的雷诺数，是流体力学中的一个无量纲数，它表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比。对于较低的Re值（如小于2000），气流为平流型，即在反应室中沿各表面附近的气体流速足够慢；对于较大的Re值，气流的形式为湍流。湍流在CVD中会引起一些特殊的问题，应当加以防止。在商用的CVD反应器中，雷诺数很低（低于100），气流几乎始终是平流。 CVD过程主要受两步工艺过程控制 ①气相运输过程 ②表面化学反应过程 6.1.3 Grove模型(Deal-Grove) 由（6.9）式和（6.11）式可得到两个重要的结论 第一，淀积速率应当与下面两个量中的一个成正比：①反应剂的浓度Cg；②在气相中反应剂的摩尔百分比Y。 在hg ks 的极限情况下，薄膜淀积速率由下式给出，在这种情况下薄膜淀积速率由质量运输速率控制。 表面反应速率常数ks描述了在衬底表面化学反应的动力学机制。假设表面化学反应为热激活，则ks可表示为 如果薄膜淀积速率由表面化学反应速率控制，则淀积速率对温度非常敏感，随温度升高而指数升高，因为表面化学反应对温度的变化敏感。当温度升高到一定程度，反应速度不再变化。 综上所述高温情况下，淀积速率通常由质量输送控制；而在较低温度情况下，淀积速率由表面化学反应控制。 6.1小结 Grove模型是一个简化模型，它忽略了反应产物的流速，并且认为反应速度线性地依赖于表面浓度。 通过Grove模型，我们可以对CVD过程做进一步地考虑。在受