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问题 一个半导体制造商在沿海地区有一个RD实验室,在内陆高海拔地区有一个制造厂。有时会出现这样的事情,RD实验室的APCVD设备不能直接应用到高海拔地区工厂中,这是为什么? LPCVD 优点: 较长的平均自由程 均匀性和台阶覆盖性比APCVD好 污染小 生长速率对气流的依赖性小,主要受表面反应控制 缺点 相对低的淀积速率 相对高的工作温度 反应压力:0.25 to 2 Torr 主要用于多晶硅,二氧化硅和氮化硅薄膜淀积 LPCVD系统 PECVD 目前最主要的化学气相淀积系统 淀积温度低,高淀积速率 利用RF等离子体激活和维持化学反应,受激活的分子可以在低温下发生化学反应 淀积薄膜附着性好、台阶覆盖好 等离子体中的电子从电场中获得高能量,与气体分子碰撞使其分解为离子、原子及活性基团,活性基团吸附在衬底表面并相互发生反应形成薄膜。 被吸附活性基团受到离子和电子轰击而具有很好可动性 PECVD 系统(电容耦合) CVD化学反应的类型 高温分解反应 还原反应 氧化反应 化合反应 高温分解反应 AB(g) --- A(s) + B(g) Exp:SiH4(g) --- Si(s) + 2H2(g) , 650℃ 应用:Al, Ti, Pb, Mo, Fe, Ni, B, Zr, C, Si, Ge, SiO2, Al2O3, MnO2, BN, Si3N4, GaN, Si1-xGex, . . . 还原反应(H2还原) AX(g) + H2(g) === A(s) + HX(g) 比高温分解的温度低,属可逆反应 Exp:WF6(g) + 3H2(g) === W(s) + 6HF(g) ,300℃ 应用:Al, Ti, Sn, Ta, Nb, Cr, Mo, Fe, B, Si, Ge, TaB, TiB2, SiO2, BP, Nb3Ge, Si1-xGex 氧化反应(O2氧化) AX(g) + O2(g) --- AO(s) + [O]X(g) Exp:SiH4(g) + O2(g) --- SiO2(s) + 2H2(g) ,450℃ 应用:Al2O3, TiO2, Ta2O5, SnO2, ZnO, . . . 化合反应(常用氨气和水汽) AX(g) + NH3(g) --- AN(s) + HX(g) AX(g) + H2O(g) --- AO(s) + HX(g) Exp:BF3(g) + NH3(g) --- BN(s) + 3HF(g) ,1100℃ 应用:TiN, TaN, AlN, SiC, Al2O3, In2O3, SnO2, SiO2, . . . CVD气流输运 目标: 均匀输运气体到衬底表面 优化气流使淀积速率最大 两种气流类型 分子流:气体扩散 D ~ T3/2/P ,降低压力可提高淀积速率 粘性流 低流速产生层流(需要的) 高流速产生湍流(避免的) 层流 衬底表面速率为零,在衬底表面形成停滞层 气体分子通过停滞层扩散到衬底表面 淀积速率与温度的关系 表面反应控制型 化学反应速率不能满足反应剂扩散和吸附的速率,反应剂堆积在衬底表面等待反应; 淀积速率=反应速率 淀积速率对温度很敏感 质量输运控制型 表面化学反应速率足够高,当反应剂被吸附在衬底表面时会立即反应 淀积速率=D dn/dx 淀积速率对温度不敏感 淀积速率主要受到气体流速的控制 总结 PVD:主要蒸发金属,不涉及化学反应,高真空工作; CVD:主要淀积介质和半导体,涉及化学反应,有常压、低压和PECVD之分。 OVER * 电子束蒸发台(实验室用) 真空蒸发法制备薄膜的基本过程 加热蒸发过程,对蒸发源加热,使其温度接近或达到蒸发材料的熔点,则固态源表面的原子容易逸出,转变为蒸气。 原子或分子蒸气在蒸发源与衬底基片之间输运;飞行过程中会与真空室内的残余气体分子发生碰撞,碰撞次数取决于真空度和源与衬底间距离; 被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程:凝结、成核、生长或成膜。由于衬底温度低于蒸发源温度,同时被蒸发原子只具有很低能量,在衬底表面不具有运动能力,直接凝结成膜。 真空度与分子平均自由程 分子平均自由程:粒子两次碰撞之间飞行的平均距离称为蒸发原子或分子的平均自由程。 d:气体分子的直径,P:压强。 高纯薄膜淀积必须在高真空度系统中进行的原因: (1)防止被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体分子碰撞; (2)残余气体中的氧和水汽会使金属原子或分子在输运过程中发生氧化,同时也将使加热的衬底表面发生氧化; (3)残余气体中所含杂质也会淀积到薄膜中,影响薄膜质量。 真空常用数据 真空区域 压强范围 乇(Torr) 帕(Pa) 低真空 760~10 101325~1333 中真空 10~10-3
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