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2 化学气相沉积的原理
2.2 CVD的特征
在 CVD 过程中，只有发生在气相 ——固相交界面的反应才 能在基体上形成致密的固态薄膜。如果反应发生在气相， 则生成的固态产物只能以粉末形态出现。由于在 CVD过程 中，气态反应物之间的化学反应以及产物在基体上的析出 过程是同时进行的，所以 CVD的机理非常复杂。 CVD中的 化学反应受到气相与固相表面的接触催化作用，产物的析 出过程也是由气相到固相的结晶生长过程。一般来说，在 CVD反应中基体和气相间要保持一定的温度和浓度差，由 二者决定的过饱和度产生晶体生产的驱动力。
第二章 薄膜制备的化学气相沉积
材料科学与工程学院 纳米光电材料实验室 朱归胜
目录
1 基本概念
2
化学气相沉积的原理
3 化学气相沉积的优缺点 4 化学气相沉积的主要反应类型 5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
6 化学气相沉积的适用范围
7 化学气相沉积的主要装置 8 化学气相沉积的工艺参数
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用途
可制作薄 膜的材料
1.3 化学气相沉积的发展历程
20世纪50年代 主要用于道具 涂层
古人类在取暖 或烧烤时在岩 洞壁或岩石上 的黑色碳层 近年来PECVD 、LCVD等高 速发展 80年代低压 CVD成膜技术 成为研究热潮
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2 化学气相沉积的原理
2.1 化学气相沉积法的定义 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。
5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
物体因自身温度而具
有向外发射能量的本 领，这种热传递的方 式叫做热辐射。利用 热源的热辐射来加热 ，是另一种常用的方 法 .
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5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
两种常见的流体流动方式
热传导是固体中热传递的主要方式，是将基 片臵于经加热的晶座上面，借着能量在热导 体间的传导，来达到基片加热的目的
2 化学气相沉积的原理
2.3 CVD法制备薄膜的过程——简化的四大过程 ①反应气体被基体表面吸附；
②反应气体向基体表面扩散；
③在基体表面发生反应； ④气体副产品通过基体表面由内向外扩散而脱离表 面。
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2 化学气相沉积的原理
2.4 CVD反应体系必须具备三个条件
4 化学气相沉积的主要反应类型
热分解反应
氧化还原反应 化学合成反应 化学输运反应 等离子增强反应 其他能源增强增强反应
475 C Cd(CH3 )2 +H2S CdS+2CH4
0
SiH4 +2O2 SiO2 +2H2O
750 C 3SiH4 +4NH3 SiN4 +12H2
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引言
Hardest mat.Damaged the hardness sensor 2.5mm high, grown in 1day single-crystal diamond grown by CVD
C.S. Yan et al., Physica Status Solidi (a) 201,R25 (2004)].
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1 基本概念
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。 从气相中析出的固体的形态主要有下列几种：
在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒
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5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
CVD反应物从主气流里往基片表面扩散时反应 物在边界层两端所形成的浓度梯度
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5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
反应动力学是一个把反应热力学预言变为现实，使 反应实际进行的问题；它是研究化学反应的速度和 各种因素对其影响的科学。
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2 化学气相沉积的原理
2.3 CVD法制备薄膜的过程
质量传输 气体传送
1) 反应物的
CVD 反应室
7) 副产物的解吸附作用 2) 薄膜先驱
8) 副产物去除
物反应
副产物
排气
3) 气体分
子扩散
5) 先驱物扩散
4) 先驱物
到衬底中
6) 表面反应
连续膜
的吸附
衬底
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2 化学气相沉积的原理
2.2 CVD的特征
下图为 CVD法形成薄膜的原理。在反应过程中，以气体形式提供构成 薄膜的原料，反应尾气由抽气系统排出。通过热能（辐射、传导、感应 加热等）除加热基板到适当温度之外，还对气体分子进行激发、分解， 促进其反应。分解生成物或反应产物沉积在基板表面形成薄膜。
按 淀 积 温 度 ： 低 温 （ 200 ～ 500℃ ） 、 中 温 （ 500 ～ 1000℃）和高温（1000 ～1300℃） 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
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1 .1 化学气相沉积的分类
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
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制作温度
成膜速率
150~2000℃（基片）
25~1500 um/h 材料精制，装饰，表面保护 ，电子材料
碱及碱土类以外的金属（Ag、Au困 难）、碳化物、氮化物、硼化物、 氧化物、硫化物、硒化物、碲化物 、金属化合物、合金 桂林电子科技大学材料科学与工程学院
5~250um/h 装饰，电子材料，光学 所有固体（C、Ta、W困难 ）、卤化物和热稳定化合物
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）
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2 化学气相沉积的原理
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。在电子学方面 PVD 法用于制 作半导体电极等。 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。 CVD法能得到致密的高纯度的膜，不仅可成膜的范围广泛 且具有极高的附着强度。只要可靠地控制就可以稳定地成 膜，即使在深孔中，只要能有反应气体进入，就能方便地 在孔壁、孔底成膜。基于上述优点，其应用范围正日益扩 大，并已成为半导体产业中不可缺少的关键技术之一。
在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以 适当的速度被引入反应室；
反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发 性的；
沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压。
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3 化学气相沉积的优缺点
优点
即可制作金属、非金属薄膜，又可制作多组分合金薄 膜；
0
325~4750 C
WI6 (g) W(s)+3I2 (g) 0
~3000 C
14000C
SiH4 a-Si(H)+2H2
激光束 W(CO)6 W+6CO
~3500 C
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5 化学气相沉积的热力学与动力学原理
化学气相沉积的五个主要的机构
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2 化学气相沉积的原理
2.2 CVD的特征
在 CVD中，物质的移动速度（气体分子向基板表面的输送： 反应物的浓度、扩散系数、流速、边界层的厚度）与表面 的反应速率（气体分子在基板表面的反应：气态反应物的 吸附、反应，气态反应产物的脱离，反应物质的浓度，基 板的温度等）决定着膜层在基板上的沉积速率。
在气体中生成粒子
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1 基本概念
化 学 气 相 淀 积 ， 简 称 CVD(Chemical Vapor Deposition) 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）生长要求的薄膜。
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5 化学气相沉积的热力学与动力学原理 1.输送现象
热能传递主要有传导、对流、辐射三种方式
热传导是固体中 热传递的主要方 式，是将基片臵 于经加热的晶座 上面，借着能量 在热导体间的传 导，来达到基片 加热的目的
热传导方式来进行基片加热的装臵
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3 化学气相沉积的优缺点
缺点
参与沉积的反应源和反应后的气体易燃、易爆或有毒，需 环保措施，有时还有防腐蚀要求； 反应温度还是太高，尽管低于物质的熔点；温度高于PVD 技术，应用中受到一定限制； 对基片进行局部表面镀膜时很困难，不如PVD方便。
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4 化学气相沉积的主要反应类型
化学气相沉积（CVD）是一种化学气相生长法。
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。