表面科学与技术 (1)

XINYUUNIVERSITY《表面科学与技术》课程作业作业题目化学气相沉积二级学院新能源科学与工程学院专业材料物理班级13材料物理学号1303210012学生姓名蒲敏胜授课教师王发辉成绩批阅老师学习《表面科学与技术》课程的心得体会—化学气相沉积姓名：蒲敏胜，学号：1303210012化学气相沉积一摘要：化学气相沉积CVD是利用加热，等离子体激励或光辐射等方法，使气态或蒸汽状态的化学物质发生反应并以原子态沉积在置于适当位置的衬底上，从而形成所需要的固态薄膜或涂层的过程。一般地说，化学气相沉积可以采用加热的方法获取活化能，这需要在较高的温度下进行；也可以采用等离子体激发或激光辐射等方法获取活化能，使沉积在较低的温度下进行。另外，在工艺性质上，由于化学气相沉积是原子尺度内的粒子堆积，因而可以在很宽的范围内控制所制备薄膜的化学计量比；同时通过控制涂层化学成分的变化，可以制备梯度功能材料或得到多层涂层。在工艺过程中，化学气相沉积常常在开放的非平衡状态下进行，根据耗散结构理论，利用化学气相沉积可以获得多种晶体结构。在工艺材料上，化学气相沉积涵盖无机、有机金属及有机化合物，几乎可以制备所有的金属，非金属及其化合物沉积层。另外，由于气态原子或分子具有较大的转动动能，可以在深孔、阶梯、洼面或其他形状复杂的衬底及颗粒材料上进行沉积。为使沉积层达到所需要的性能，对气相反应必须精确控制。二：化学气相沉积原理化学气相沉积过程分为四个重要阶段；反应气体向基体表面扩散，反应气体吸附于基体表面，在基体表面上产生的气相副产物脱离表面，留下的反应产物形成覆层。利用化学气相沉积制备薄膜材料首先要选定一个或几个合理的沉积反应。根据化学气相沉淀过程的需要，所选择的化学反应通常应该满足：2.1反应物质在室温或不太高的温度下最好是气态，或由很高的蒸气压，且有很高的纯度；2.2通过沉积反应能够形成所需要的材料沉积层；2.3反应易于控制。用于化学气相沉淀的化学反应有多种类型，其反应原理与特点介绍如下：（1）热分解反应气态氢化物、羰基化合物以及金属有机化合物与高温衬底表面接触，化合物高温分解或热分解沉积而形成薄膜。例如：SiH4Si+2H2Ni(CO)4Ni+4CO（2）氧化反应含薄膜元素的化合物与氧气一同进入反应器，形成氧化反应在陈地上沉积薄膜。例如：SiH4+O2SiO2+2H2a还原反应用氢、金属或基材作还原剂还原气态卤化物，在衬底上沉积形成纯金属膜或多晶硅膜。b水解反应卤化物与水作用制备氧化物薄膜或晶须。C可逆输送化学转化或输运过程的特征是在同一反映其维持在不同温度的源区和沉淀区的可逆的化学反应平衡状态。三：化学气相沉积的类型化学气相沉积（CVD）技术有多种分类方法，以主要特征进行综合分类，可分为热化学气相沉积（TCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等。3.1热化学气相沉积（TCVD）热化学气相沉积是指采用衬底表面热催化方式进行的化学气相沉积。该方法沉积温度较高，一般在800℃~1200℃左右，这样的高温使沉底的选择受到很大限制，但它是化学气相沉积的经典方法。3.1.1热化学气相沉积装置热化学气相沉积装置，它包括相互关联的三个部分：气相供应系统、沉积室或反应室以及排气系统。3.1.2影响沉积质量的因素（1）化学反应对于同一种沉积材料，采用不同的沉积反应，其沉积质量是不一样的。这种影响主要来自两个方面：一是沉积反应不同引起沉积速度的变化，沉积速度的变化有影响相关的扩散过程和成膜过程，从而改变薄膜的结构；二是沉积反应往往伴随着一系列的掺杂副反应，反应不同导致薄膜组分不同，从而影响沉积质量。（2）沉积温度沉积温度是化学气相过程最重要的工艺条件之一，它影响沉积过程的各个方面。首先，它影响气体的质量输送过程。温度不同，反应气体和气态产物的扩散系数不同，导致反应界面气相的过饱和度和气象物种沉积出固相的相对活度不同，从而影响薄膜的形核率，改变薄膜的组成和性能。其次，它影响界面反应。一般地说，沉积温度的升高可以显著增加界面反应速率，可能导致表面控制向质量迁移控制的转化，倾向于得到柱状晶组织。第三，温度同样影响新生态固体院子的重排过程。温度越高，新生态固体态原子的能量越高，相应地能够跃过重排能垒而达到稳定状态的原子越多，从而获得越加稳定的结构。（3）气体压力在化学气相沉积的实践中，为获得外延单晶薄膜材料，常使反应气体保持较低的分压。与此相反，当需要细晶粒薄膜时，则使反应气体的分压保持在较高的水平上。这说明反应气体的分压是影响沉积质量的重要因素。一般地说，气相沉积的必要条件使反应气体具有一定的过饱和度，这种过饱和状态是薄膜形核生长的驱动力。当反应气体分压较小时，较低的过饱和度难以想成新的晶核，薄膜便以衬底表面原子为晶核种子进行生长，由此可以得到外延单晶薄膜材料。而当反应气体分压较大时，较高的饱和度可形成大量晶核，并在生长过程中不断形成，最后生长成为单晶组织。在沉积多元组分的材料时，各反应气体分压的比例直接决定沉积材料的化学计量比，从而影响材料的性能。3.2低压化学气相沉积（LPCVD）从本质上讲，低压化学气相沉积（约10kpa）是相对于常压化学气相沉积而言的。由于反应器工作压力的降低大大增强了反应气体的质量输送速度，从而使低压化学气相沉积呈现出新的特点，因此，低压化学气相沉积在半导体工艺中得到了广泛的应用。3.2.1低压化学气相沉积的基本原理在常压下，质量迁移速度与表面反应速度通常是以相同的数量级增加的；而在低压下，质量迁移速度的增加远比界面反应速度快。反应气体穿过边界层，当工作压力从1.0×105Pa降至70~130Pa时，扩散系数增加约1000倍。因此，在低压化学气相沉积中，界面反应是速度控制步骤。由此可以推断：低压CVD在一般情况下提供更好的膜厚度均匀性、阶梯覆盖性和结构完整性。当然，反应速率与反应气体的分压成正比，因此，系统工作压力的降低应主要依靠减少载气用量来完成。3.2.2低压化学气相沉积技术半导体工业涂覆硅晶片用低压化学气相沉积装置，该反应系统采用卧式反应器，具有较高的生产能力；它的基座水平放置在热壁炉内，可以非常精确地控制反应速度，减少设备的复杂程度；另外，它采用垂直密集装片方式，更进一步提高了系统的生产效率。3.3等离子体增强化学气相沉积（PECVD）3.3.1等离子体增强化学气相沉积及其特点等离子体增强化学气相沉积又称为等离子体辅助CVD，是在传统CVD基础上发展起来的一种新的制膜技术。它是借助于外部电场的作用引起放电，使前驱气体成为等离子体状态，等离子体激活前驱期体发生化学反应，从而在衬底上生长薄膜的方法。特别适用于功能材料薄膜和化合物膜的合成，并显示出许多优点。相对于TCVD、真空蒸镀和溅射而言，被视为第二代薄膜技术。PECVD技术的特点如下：（1）实现了薄膜沉积工艺的低温化。（2）可俗语薄膜以独特的性能。一些按热平衡理论不能发生的反应和不能获得的物质结构，在PECVD系统中将可能发生。例如体积分数为1%的甲烷在H2中的混合物热解时，在热平衡的CVD中得到的是石墨薄膜，而在非平衡的等离子体化学气相沉积中可以得到金刚是薄膜。可以预料，PECVD系统中将可能获得的准稳结构将赋予薄膜以独特的特性。（3）可用于生长界面陡峭的多层结构。在PECVD的低温沉积条件下，如果没有等离子体，沉积反应几乎不会发生。而一旦有等离子体存在，沉积反应就能以适当的速度进行。这样一来，可以把等离子体作为沉积反应的开关，用于开始和停止沉积反应。由于等离子体开关的反应时间相当于气体分子的碰撞时间，因此利用PECVD技术可生长界面陡峭的多层结构。（4）可以提高沉积速率，增加莫厚均匀性。这是因为在多数PECVD的情况下，体系压力较低，增强了前驱气体和气态副产物穿过边界层在平流层和衬底表面之间的质量输运。当然，等离子体容易对衬底材料和薄膜材料造成离子轰击损伤。在PECVD过程中，相对于等离子体电位而言，衬底电位通常较负，这势必招致等离子体中的正离子被电场加速后轰击衬底，导致衬底损伤和薄膜缺陷。另外，PECVD反应是非选择性的。等离子体中点在的能量分布范围很宽，除电子碰撞外，在粒子碰撞作用和放电时产生的射线作用下也可产生新粒子，因此PECVD装置一般来讲比较复杂，价格也较高。3.4金属有机化学气相沉积（MOCVD）3.4.1金属有机化学气相沉积及其特点金属有机化学气相沉积是以一种或一种以上的金属有机化合物为前驱体的沉积工艺。金属有机化合物的采用，使它在工艺方法特征，沉积材料性能方面有别于其他的化学气相沉积方法，有以下几个特点：（1）金属有机化合物前驱体可以在热解或者光解作用下，在较低温度沉积出各种无机材料，如金属、氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和化合物半导体等薄膜材料。由于其沉积温度介于高温热CVD和低温等离子体增强CVD之间，所以也称金属有机化学气相沉积为中温化学气相沉积。（2）与沉底组分明显不同的外延沉积薄膜具有很高的韧性，即使化学性质完全不同，只要晶格常数足以与衬底匹配，就能用于沉积外延薄膜，从而确立了它作为外延生长技术独特而重要的地位。（3）利用有机化学气相沉积可以生产厚度薄至几个原子层、可精确控制掺杂水平和合金组分、界面变化陡峭的多层结构，它使量子阶器件和应变层超晶格的生产成为可能。因此，在微电子领域，MOCVD技术也成为金属有机化学气象外延（MOVPE）。（4）设备简单，可以获得高纯度的气态前驱体。四：化学气相沉积的特点化学气相沉积之所以得到发展，是和它本身的特点分不开的，其特点如下：(1）沉积物种类多：可以沉积金属、合金、陶瓷或或化合物层，这是其他方法无法做到的。(2）能均匀覆盖几何形状复杂的零件，这是因为CVD涂覆过程中，离子有高度的分散性。(3）可以在大气压或者地域大气压下进行沉积。(4）通常在850~1100℃下进行，覆盖和基体结合紧密，但工件畸变较大，沉积后一般仍需要热处理。(5）采用等离子或激光辅助技术，可以强化化学反应，降低沉积速度。(6）容易控制覆盖层得致密度和纯度，也可以获得梯度覆盖层或混合覆层。(7）利用调节沉积的参数，可以控制覆层的化学成分、形貌、晶体结构和晶粒度等。(8)设备简单、操作维修方便。参考文献[1]苗建旺,王超,周春根.化学气相沉积薄膜及其耐磨性能[J].航空学报，2008.29（6）:1687-1691.[2]赵峰,杨艳丽.CVD技术的应用与进展[J].热处理，2009,24(4):7-10.[3]张迎光，白雪峰，张洪林，刘宁生.化学气相沉积技术的进展[J].中国科技信息，2005（12）：83-84.