由上图分析可知： 高温：扩散控制 低温：表面反应控制 反应导致的沉积速率为：
其中 N0 为表面原子密度。 沉积速率随温度的变化规律取决于Ks,D,δ 等随温度的变化情况。 因此，一般而言，化学反应或化学气相沉积的速度将随温度的升 高而加快。 但有时并非如此，化学气相沉积的速率随温度的升高 出现先升高后降低的情况。 这是什么原因呢？
第四章 化学气相沉积
(Chemical vapor deposition)
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4.4 薄膜生长动力学 4.5 化学气相沉积装置
4.4 薄膜生长动力学
在CVD过程中，薄膜生长过程取决于气体与衬底间界面
的相互作用，具体过程如下： 1. 反应气体扩散通过界面 层 2. 气体分子在薄膜或衬底 表面的吸附 3. 原子表面的扩散、反应 和溶入薄膜晶格之中 4. 反应产物扩散离开衬底 表面并通过界面层
此式表明：Si的沉积速度将随着距离的增加呈指数 趋势下降，即反应物将随着距离的增加逐渐贫化。
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轴向生长速率的均匀性:
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扩散速度小于气流速度
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沉积速率随距离的增加呈指数下降! 倾斜基片使薄膜生长的均匀性得以改善 ;
提高气体流速v和装置的尺寸b 调整装置内温度分布，影响扩散系数D的分布
因此，提高沉积均匀性可以采取如下措施：
我们用CVD方法共同的典型式子来说明: 设这一反应正向进行时为放热反应，则
aA( g ) bB( g ) cC (s) dD( g )
ΔH<0, U0<U
上式描述的正向和逆向反应速率如下页图a所示，均随 温度上升而提高。同时，正向反应的激活能低于逆向反应 的激活能。而净反应速率应是正反向反应速率之差，而他 随温度升高时会出现一个最大值。因此温度持续升高将会 导致逆反应速度超过正向的，薄膜的沉积过程变为薄膜的 刻蚀过程。
高温CVD和低温CVD的选用原则
气相过饱和度 平衡组织、更完整 高温 CVD 强调薄膜质量 （单晶、粗晶） 沉积温度 气相过饱和度 非平衡组织、细化 强调低温沉积 低(中)温CVD （微晶、非晶） 沉积温度
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注意：
1）反应应在扩散层内进行，否则会生成气相均质核，固相 产物会以粉末形态析出； 2）提高温度梯度和浓度梯度，可以提高新相的形核能力； 3）随析出温度提高，析出固相的形态一般按照下图所示序 列变化：
单晶 板状 （外延） 单晶
针状 树枝晶 单晶
柱状晶
微晶非晶Biblioteka 粉末 （均相形核）T
T
4.4.1
高温CVD (high temperature CVD ) ： 将各种化学反应物质通入反应炉体内， 于高 温的热能供应作用下，藉由工件表面形成镀膜。 分类：热壁式和冷壁式
加热方式：射频加热或辐射加热
样品放置：倾斜或平置
a — 热壁式（课本 P108 图4.1） 反应室被整体加热
b — 冷壁式（课本 P146 图4.23） 只加热样品台和基片（电加热 或 感应加热 常用）
CVD 装 置 的 分 类
运、污染较大 常压 CVD ：无需真空、靠载气输 按工作压力不同，可分 为 载气、污染小 低压 CVD ：易于气化反应物、无 ℃） 低温 CVD （200 ~ 500 按沉积温度不同，可分 为 中温 CVD （500 ~ 1000 ℃） 高温 CVD （1000~ 1300 ℃） 热壁 CVD ：整炉高温、等温环境 按加热方式不同，可分 为 基片架） 冷壁 CVD ：局部加热（仅基片和 热激活（普通CVD ） 可分为 光致活化 CVD （紫外光、激光、可见 光） 按反应激活方式不同， 等离子体激活（ P ECVD）
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4.4.2 温度对沉积速度的影响
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温度是化学气相沉积过程中最重要的参数之一。

温度对气相质量输运系数和反应率常数作用不同
由上式得 ： 当 Ks 》D/δ 时，Cs = 0 ，反应物的扩散过程较 慢，在衬底上方反应物已经贫化，称为扩散控制的 沉积过程。 • 当 Ks 《 D/δ 时， Cs = Cg ，表面反应较慢， 因此称为表面反应控制的沉积过程。
生长速度的一致性


反应气体在x方向上流速不变 整体温度恒定 长度足够大
设点(x,y)处的扩散通量矢量为：
宏观传输项
扩散项
其中：v为气体流动的速度矢量 扩散项正比于反应物的浓度梯度
由于在衬底上，c=0,所以只考虑扩散项，这是薄 膜的沉积速度：
其中R为薄膜沉积速度，C0为初始浓度， Msi/ Mg为Si和 反应物分子的相对原子质量，D为扩散系数
4.5
化学气相沉积装置
一 高温和低温CVD装置
二 低压CVD装置
三 等离子辅助CVD装置 四 激光辅助CVD装置
五 金属有机化合物CVD装置
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CVD装置往往包括以下三个基本组成 部分：
㈠ 反应气体和载气的供给和计量装置；
㈡ 必要的加热和冷却系统； ㈢ 反应产物气体的排出装置。
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单晶 多晶 非晶
典型的高温CVD装置示意图
特点：简单经济、稳定高效；腐蚀、污染、耗能；
应用：外延Si薄膜制备、TiN, TiC等超硬涂层等
低温CVD
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工作温度: ≤700℃ 应用领域：主要用于集成电路、电子器件等对 沉积温度有比较严格限制的绝缘薄膜制备；
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集成电路中SiN等钝化、扩散阻挡层的制备；
集成电路中的SiO2绝缘层的制备；
4.5.1 高温和低温CVD装置
制备薄膜时两个重要的物理量： 1 气相反应物的过饱和度; 2 沉积温度;
形核率 沉积速率 薄膜沉积过程中 微观结构
单晶 进而决定获得的是 多晶 非晶
制备单晶薄膜的条件：
气相的过饱和度要低，沉积温度高
CVD装置常用的加热方法有如下几种: 电阻加热（a） 射频感应加热(b) 红外灯加热法(c)
正向反应是放热反应:
ΔH + < 0，ΔH −>0 当T持续↑ 反向反应速率＞ 正向反应 薄膜生长速率↓
正向反应是吸热反应: ΔH + > 0，ΔH −<0
T↑ 反向反应速率＜正向反应 薄膜生长速率↑
上述规律对应了描述化学反应平衡常数K的变化 率的霍夫（van’Hoff）方程
图a情况下：温度过高不利于产物的沉积 图b情况下，温度过低不利产物的沉积