4化学气相沉积.ppt

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4化学气相沉积要点

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。 常用三种CVD技术优缺点 CVD是一种材料表面改性技术。它利用气相间的反应,在不改变基体材料的成分和不削弱的基体材料的强度条件下,赋予材料表面一些特殊的性能。CVD是建立在化学反应基础上的,要制备特定性能材料首先要选定一个合理的沉积反应。用于CVD技术的通常有如下所述五种反应类型。 CVD技术的热动力学原理 化学气相沉积的五个主要的机构 (a)反应物已扩散通过界面边界层;(b)反应物吸附在基片的表面;(c)化学沉积反应发生; (d) 部分生成物已扩散通过界面边界层;(e)生成物与反应物进入主气流里,并离开系统 1.输送现象 热能传递主要有传导、对流、辐射三种方式 单位面积的能量辐射=Er=hr(Ts1- Ts2) 两种常见的流体流动方式 流体经固定表面时所形成的边界层δ及 δ与移动方向x之间的关系 CVD动力学 显示以TEOS为反应气体的CVDSiO2沉积的沉积速率与温度之间的关系曲线 CVD反应的进行,涉及到能量、动量、及质量的传递。反应气体是借着扩散效应,来通过主气流与基片之间的边界层,以便将反应气体传递到基片的表面。接着因能量传递而受热的基片,将提供反应气体足够的能量以进行化学反应,并生成固态的沉积物以及其他气态的副产物。前者便成为沉积薄膜的一部分;后者将同样利用扩散效应来通过边界层并进入主气流里。至于主气流的基片上方的分布,则主要是与气体的动量传递相关。 (a) CVD反应为表面反应限制时和 (b)当CVD反应为扩散限制时,反应气体从主气流里经边界层往基片表面扩散的情形 化学气相沉积作为20世纪60年代初前后迅速发展起来的一种无机材料制备技术,由于他设备简单,成本低廉,因而广泛用于高纯物质的制备、合成新晶体及沉积多种单晶态、多晶态无机功能薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物也可以是Ⅲ-Ⅴ,Ⅱ-Ⅳ,Ⅳ-Ⅵ族中的二元或多元的元素间化合物,而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的沉积过程精确控制。随着半导体工业的发展,物理气相沉积被广泛运用于金属镀膜中。 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,在这里应用了硬质台金刀具和高速钢刀具。特别是车床用的转位刀片、铣刀、刮刀和整体钻头等。使用的涂层为高耐磨性的碳化物、氯化物、碳氯化台物、氧化物和硼化物等涂层。TiN与金属的亲和力小,抗粘附能力和抗月牙形磨损性能比TiC涂层优越,因此,刀具上广泛使用的是TiN涂层。 在许多特殊环境中使用的材料往往需要有涂层保护,以使其具有耐磨,耐腐蚀,耐高温氧化和耐辐射等功能。SiC、Si3N4、MoSi2等硅系化合物是最重要的高温耐氧化涂层。这些涂层在表面上生成致密的SiO2薄膜,起着阻止氧化的作用,在1400~1600℃下能耐氧化。Mo和W的CVD涂层亦具有优异的高温耐腐蚀性。 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。 在光学领域中,金刚石薄膜被称为未来的光学材料,它具有波段透明和极其优异的抗热冲击、抗辐射能力,可用作大功率激光器的窗口材料,导弹和航空、航天装置的球罩材料等。金刚石薄膜还是优良的紫外敏感材料。而且上海交通大学把CVD金刚石薄膜制备技术应用于拉拔模具,不仅攻克了涂层均匀涂覆、附着力等关键技术,而且解决了金刚石涂层抛光这一国际性难题。 CVD设备的心脏,在于其用以进行反应沉积的“反应器” 。CVD反应器的种类,依其不同的应用与设计难以尽数。以CVD的操作压力来区分,CVD基本上可以分为常压与低压两种。若以反应器的结构来分类,则可以分为水平式、直立式、直桶式、管状式烘盘式及连续式等。若以反应器器壁的温度控制来评断,也可以分为热壁式(hot wall)与冷壁式(cold wall)两种。若考虑CVD的能量来源及所使用的反应气体种类,我们也可以将CVD反应器进一步划分为等离子增强CVD(plasma enhanced CVD,或PECVD),TEOS-CVD,及有机金属CVD(metal-organic CVD,MOCVD)等。 低压CVD的设计就是将反应气体在反应器内进行沉

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