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8 等离子体化学气相沉积（淀积）（PCVD） 材料学院 2014年10月 主要内容 1、CVD技术基础 2、第二代薄膜技术PCVD基本特征 3、PCVD装置 4、PCVD膜的基本评价 5、PCVD技术应用 1、CVD技术基础 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD），通常是指将气态物质经化学反应生成固态物质并沉积在基片上的化学过程。 反应式：A(g）+B（g）→C（s）+D（g） CVD的分类 按激活反应体系所采用的能量方式不同，分： 热CVD 等离子增强CVD(PECVD, PCVD) 激光增强CVD(LECVD) 光CVD 常规CVD优缺点 最早应用的是热激发的常压CVD，其反应温度大多在1000℃以上。 优点： 可制作金属、非金属及多成分合金薄膜 成膜速度快，能同时制作多工件的均匀镀层 在常压或低真空进行镀膜的绕射性好 纯度高，致密性好，残余应力小，结晶良好 获得平滑沉积表面 辐射损伤低 缺点 反应温度太高 常压CVD虽已有种种应用，但高温工艺是其制约： 限定了化学薄膜合成的应用范围。对高温下易分解或者不稳定的物质不适用； 生成的薄膜易受高温热损伤，影响膜的性能； 对于基片的要求比较苛刻，使得选择余地少，成本增加； 能源消耗大，操作条件差。 因此，CVD技术低温化是一直寻求的目标！ 解决办法： 利用金属有机化合物做源物质的化学气相沉积MOCVD是一个有效途径。 AlR3（R为烷基）热分解沉积Al薄膜，反应温度200~250 ℃ Al（OC3H7)3热分解沉积Al2O3，反应温度420 ℃ 但这种方法也有问题： 很多待沉积的物质，往往找不到合适的金属有机化合物做源物质，即使找得到，合成源物质本身一般也很麻烦； 很多金属有机化合物本身易燃或有毒。 2、PCVD技术基本特征 等离子体化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 借助等离子体使含有薄膜组成原子的气态物质发生化学反应，在基片上沉积成膜的一种方式。 特别适合于功能材料薄膜和化合物膜。 通过气体放电来制备薄膜，从根本上改变了反应体系的能量供给方式，有效利用非平衡等离子体的反应特征。 气压10-1~102Pa，TeTi，电子温度比气体温度约高1~2个数量级，这种热力学非平衡状态正适合于薄膜技术。 等离子体中的电子温度高达10000K，有足够能量通过碰撞过程使气体分子激发、分解和电离； 产生大量反应活性物质，而整个反应体系却保持较低温度； 原本在热力学平衡态下需要相当高温度才能发生的化学反应，若利用非平衡等离子体便可在低得多的温度条件下实现； 即PCVD的基本特征：实现了薄膜沉积工艺的低温化。 另外，PCVD还可赋予所沉积薄膜以独特性能，而且是一种高生产能力、节省资源、节省能源的制膜工艺。 PCVD和常压CVD温度比较 3、PCVD基本装置 基本类型： 按发生方法分为： 直流辉光放电 射频放电——是应用最普遍的一种，分感应耦合和电容耦合两种 微波放电——可与离子注入等手段相结合 直流辉光PCVD装置 射频放电PCVD、微波放电PCVD装置示意图 感应耦合型PCVD（最早应用的） 特点：结构简单，污染少。 存在的问题： 电场及气流分布不如平板型装置均匀，大面积沉积时膜厚均匀性差，一般基片面积以10cm2为限，适合作为小型实验装置； 由于高频线圈为开放式，空间干扰严重，如使用静电探针的话难度较大。 平行板电容耦合型PCVD装置 通常反应器外壳为不锈钢并且接地。 特点： 整体看，反应室处于零电位的导体所包围； 自偏压数值较大，阳极基片上正在生长的薄膜可免遭荷能粒子的轰击； 电场、气场和温度场的均匀性好。 加热方式——如下两种： 反应室外部下端加热——便于操作，减少污染； 将加热器放到反应室内——更易于精确控温。 平行板电容耦合型PCVD装置适合于大面积薄膜沉积，工艺上也便于设计成自动化流水线。 对上述平行板耦合PCVD装置的改进： 电场强度中间强，四周弱，即由极板中心向四周有所减弱。 改进方法： 改从四周进气，中央排气。这样，与电场渐弱方向“逆向”导入气体，可利用气体场浓度分布来弥补一下电场分布的变化，会更加有利于均匀成膜； 从上部用多孔喷头旋转喷气。 主要目的：通过改善气场分布来获得大面积均匀沉积。 PCVD装置中需要考虑的注意事项 反应室问题：射频电极的屏蔽问题； 基片的放置问题：为避免污染，往往改为向上沉积或基片垂直放置； 基片的加热和测温问题：应考虑基片和基片台的温度差； 气体的导入与排气系统：要求严格控制反应室中的气压和气流流速； 废气处理：腐蚀性、易燃性、有毒气体，必须设置尾气安全处理装置，洗涤、吸收、除掉公害物质方可排入大气。 典型实用