化学气相沉积（CVD）
——Chemical Vapor Deposition
CVD 反应是指反应物为气体而生成物之一为固体的化 学反应。
CVD完全不同于物理气相沉积（PVD）
化学气相沉积——基本原理
CVD和PVD
化学气相沉积——基本原理
最常见的几种CVD反应类型有：热分解反应、化学合 成、化学输运反应等。
CVD 法制备的多晶硅膜在器件上得到广泛应，这
是CVD法最有效的应用场所。
CVD法发展历程
1880s，第一次应用于白炽灯，提高灯丝强度； 同时诞生许多专利
接下来50年，发展较慢，主要用于高纯难熔金
属的制备，如Ta、Ti、Zr等 二战末期，发展迅速
1960年，用于半导体工业
1963年，等离子体CVD用于电子工业
（1）氢化物
700-1000℃ SiH4 Si + 2H2
H-H键能小，热分解温度低，产物无腐蚀性。
（2）金属有机化合物
420℃ 2Al(OC3H7 )3 Al2O3 + 6C3H6 + 3H2O
三异丙氧基铝
M-C键能小于C-C键，广泛用于沉积金属和氧化物薄膜。 金属有机化合物的分解温度非常低，扩大了基片选择范
GeI 2 沉积区
源区
沉积区 源区
ZrI 2
1 ZnI2 S 2 ZnS( s) I 2 ( g ) 沉积区 2
化学气相沉积——基本原理
设源为 A （固态），输运剂为 XB( 气体化合物， 输运反应通式为：
按反应器内的压力：常压和低压
按反应器壁的温度：热壁和冷壁
按反应激活方式：热激活和冷激活
CVD装置的主要部分： 反应气体输入部 分、反应激活能源供应部分和气体排出 部分。
化学气相沉积——基本原理
★ 化学气相沉积的基本原理
化学气相沉积的基本原理是以化学反应为基础
化学气相沉积是利用气态物质通过化学反应在基片表 面形成固态薄膜的一种成膜技术。
①还原或置换反应
1000 ℃ SiCl 2 H Si 4HCl 4 2
②氧化或氮化反应
℃ SiH4 B2 H6 5O2 400 B2O3 SiO2 5H 2O
③水解反应
2AlCl3 3H 2O Al 2O3 6HCl
原则上可制备任一种无机薄膜。
化学气相沉积——基本原理
化学输运反应
将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助适当 的气体介质（输运剂）与之反应而形成气态化合物，这种 气态化合物经过化学迁移或物理输运到与源区温度不同的 沉积区，在基片上再通过逆反应使源物质重新分解出来， 这种反应过程称为化学输运反应。
源区
Ge( s) I 2 ( g ) Zr ( s) I 2 ( g )
化学合成反应是指两种或两种以上的气态反应物在热 基片上发生的相互反应。 (1) 最常用的是氢气还原卤化物来制备各种金属或半导
体薄膜；
(2) 选用合适的氢化物、卤化物或金属有机化合物来制 备各种介质薄膜。 化学合成反应法比热分解法的应用范围更加广泛。 可以制备单晶、多晶和非晶薄膜。容易进行掺杂。
化学气相沉积——基本原理
1968年，CVD碳化物涂层用于工业应用
1980s, CVD法制备DLC膜 1990s，金属-有机CVD快速发展
CVD可以制备单晶、多相或非晶态无机 薄膜，以及金刚石薄膜、高Tc超导薄膜、透 明导电薄膜以及某些敏感功能薄膜。
CVD技术分类: 按淀积温度：低温（200～500℃）、中温
（500 ～1000℃）和高温（1000 ～1300℃）
化学气相沉积（CVD）是一种化学气相生长法。
把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质
气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光以及激
光等能源，借助气相作用或在基板表面的化学反应 （热分解或化学合成）生长形成固态的薄膜。
CVD 法可制备薄膜、粉末、纤维等材 料，用于很多领域，如半导体工业、电子 器件、光子及光电子工业等。
600℃ 羰基化合物： Pt(CO)2Cl2 Pt + 2CO + Cl2 140-240℃ Ni(CO)4 Ni + 4CO
单氨络合物：
800-1000℃ AlCl3 NH3 AlN + 3HCl
化学气相沉积——基本原理
化学合成反应（两种或两种以上气源）
CVD 法实际上很早就有应用，用于材料精制、
装饰涂层、耐氧化涂层、耐腐蚀涂层等。 CVD 法一开始用于硅、锗精制上，随后用于适 合外延生长法制作的材料上。 表面保护膜一开始只限于氧化膜、氮化膜等， 之后添加了由Ⅲ、Ⅴ族元素构成的新的氧化膜，最 近还开发了金属膜、硅化物膜等。
以上 这些薄 膜的 CVD 制备法 为人们 所注意 。
围以及避免了基片变形问题。
化学气相沉积——基本原理
（3）氢化物和金属有机化合物系统
630 675℃ Ga(CH3 )3 + AsH3 GaAs + 3CH4 475℃ Cd(CH3 )2 + H2S CdS + 2CH4
广泛用于制备化合物半导体薄膜。 （ 4 ）其它气态络合物、复合物（贵金属、过渡金属沉积）
热分解反应（吸热反应，单一气源）
该方法在简单的单温区炉中，在真空或惰性气体保护 下加热基体至所需温度后，导入反应物气体使之发生热分 解，最后在基体上沉积出固体涂层。
Q 通式： AB( g ) A(s) B( g )
主要问题是源物质的选择（固相产物与薄膜材料相同） 和确定分解温度。
化学气相沉积——基本原理
第五章
化学气相沉积 （CVD）
Chemical Vapor Deposition
本章主要内容
★ 化学气相沉积的基本原理 ★ 化学气相沉积的特点
★ CVD方法简介
★ 低压化学气相沉积（LPCVD）
★ 等离子体化学气相沉积
★ 其他CVD方法
参考书目： 1、唐伟忠，薄膜材料制备原理、技术及应用（第2版）， 冶金工业出版社，2008 2、Hugh O. Pierson，Handbook of Chemical Vapor Deposition, Noyes Publications, 1999